稀有金属 2005,(04),436-438 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2005.04.011

微波放大管用贵金属冷阴极材料

李宏 韩志伟

摘 要：

介绍了微波放大管中利用贵金属材料制作冷阴极 (二次电子发射体) 的研究及使用情况。在纯金属中贵金属的δ值较高, 如Pt的δmax=1.8, 但还不能满足微波放大管的要求, 多数使用的是其合金或复合材料。主要包括采用熔炼法在Pt, Pd, Rh, Au中添加Ba组成的二元合金, δmax可达到3。采用粉末冶金法制备复合材料, 主要有MgO/Au金属陶瓷薄膜材料、Pt、Pd/氧化物复合材料等, δmax可达4.7。

关键词：

贵金属材料;冷阴极;二次电子发射体;复合材料;

中图分类号： TB34

收稿日期：2005-05-20

Cold Cathode Materials of Noble Metal in Microwave Amplifier

Abstract：

The secondary-emission properties of the noble metals are better than the other pure metals. Pt has the secondary-electron emission coefficient δ_max=1.8, but often fails to meet the requirements of CFA. The precious alloys and its compound materials are used usually for the cold cathodes. The alloys based on Pt, Pd, Rh, Au with additions of Ba are researched and applied, its δ_max=3. The promising composites based on Au, Pt, Pd with additions of the oxides, have good secondary-emission properties, its δ_max=4.7.

Keyword：

<Keyword>noble metal; cold cathode; secondary-emission; compound materials;

Received： 2005-05-20

当具有一定能量或速度的电子 (或离子) 轰击物体表面时, 会引起电子 (或离子) 从被轰击的表面发射出来, 既产生了二次电子发射。 随着电子技术的发展, 二次电子发射得到越来越广泛的应用。 在光电倍增管和电子倍增器中, 它可以使非常微弱的电流放大几百万倍。 在雷达微波放大管 (CFA) 中, 使用具有高的二次电子发射系数的材料作为冷阴极, 可以增强放大器的功率, 提高雷达的扫描半径和分辨能力。

二次电子发射系数δ是冷阴极材料的主要性能。 即一个电子打到材料表面, 能发射出多少个二次电子。 只有当δ大于1的材料才能有放大作用。 在纯金属中贵金属的δ值较高, 如Pt的δ_max=1.8, 但还不能满足微波放大管的要求, 多数使用的是其合金或复合材料。 可用于冷阴极材料的种类较多, 本文主要介绍微波放大管用的贵金属冷阴极材料。

1 金属的二次电子发射

影响金属二次电子发射系数δ的因素较多, 其中较主要的是原电子能量E_p及金属逸出功φ ^[1] 。 图1示出几种金属δ与E_p的特性曲线。 从图中可见, 二次电子发射系数最大值δ_max和与δ_max对应的原电子能量E_pm值各不相同。 大多数金属的δ_max在0.5~1.8之间, E_pm在85~850 eV, 贵金属的δ_max值相对高些。 一般来讲, 逸出功φ大的金属, δ_max值也高。 几种金属的δ_max 与E_pm, φ的关系见表1。

2 用于冷阴极的贵金属材料

目前, 已进行研究和得到使用的贵金属材料主要包括Au, Ag, Pt, Pd, Rh等几种金属及其合金。 美国、 俄罗斯等国家在此领域开展了较多的研究工作, 主要针对军事装备中电子器件的需求而

图1 几种金属的δ与Ep关系曲线 Fig.1 Relation between δ and Ep of Pt, Ag, Cu

表1 几种贵金属的δmax, Epm和φ值Table 1 δmax, Epmand φ for noble metals

金属	δmax	Epm/eV	φ/eV
Ag	1.50	800	4.55
Au	1.46	800	4.90
Pd	1.75	250	4.80
Pt	1.80	700	5.82

进行的。 我国对贵金属冷阴极材料的研究起步较晚, 北京有色金属研究总院研制的Pd-Ba合金虽然已经进入使用阶段, 但品种单一, 目前尚缺乏高发射系数且使用寿命长的二次电子发射体。

2.1 纯金属Pt

Pt是纯金属中具有最高δ值的材料 (δ_max=1.8) , 因此, 美国曾将其用于部分放大管的冷阴极。 由于属于整体发射, 耐电子、 离子轰击, 使用寿命长, 工艺简单。 但对于要求高的阳极电流而低电压的放大管, 纯Pt则不适用。 图2为几种不同的冷阴极材料发射电流、 电压的匹配情况, 从中可见, 要达到同样的阳极电流, Pt需要更高的阳极电压。

2.2 贵金属合金

在Pt, Pd, Rh, Au中加入一定的Ba元素组成的合金, 均可形成Me_nBa金属间化合相。 这类合金的二次电子发射性能得到明显提高, 但目前这些金属间化合相的作用机制尚未探明。 俄罗斯是进行此类冷阴极合金研究的主要国家, 并已将其应用于微波放大管的二次电子发射体。 国内于90年代末期由北京有色金属研究总院开展了Pt-Ba, Pd-Ba合金的研究, 目前Pd-Ba合金已用于雷达的放大管 ^[2] 。 表2列出上述合金的性能数据。

Pd-Ba合金的二次发射特性及寿命曲线如图3, 4所示。 从中可见, Pd-Ba合金的二次发射系数

图2 几种二次电子发射体的发射电流、 电压数值 Fig.2 Relation between emission current and voltage

表2 部分贵金属合金的二次发射性能Table 2 Secondary-emission properties of some alloys

合 金	原电子能量 (Ep)	二次发射系数δmax
Pt-Ba	800	3.0
Pd-Ba	550	2.6
Rh-Ba	500	2.4
Au-Ba	800	1.7

δ值, 随时间的变化较小, 说明该材料比较耐轰击, 有较长的寿命。 而且在微波放大管中使用也取得了很好的结果 ^[2] 。

2.3 贵金属复合材料

氧化物的二次电子发射系数δ_max要比金属大得多, 但它们是绝缘体, 不导电, 不可能单独作为冷阴极材料。 需要选择导电性能优良的金属作为载体, 与氧化物形成复合材料, 而获得较高的二次电子发射性能。 表3为几种氧化物的δ_max值。

2.3.1 MgO/Au金属陶瓷薄膜材料

美国采用导电性能优异的Au, 与MgO粉末制成金属陶瓷, 利用溅射法, 将其溅射到金属基带上。 当MgO含量为70%, 一次电子能量 (E_p) 为2000 eV, 轰击

图3 Pd-Ba合金二次电子发射特性曲线 Fig.3 Secondary-emission curve of Pd-Ba alloy

图4 Pd-Ba合金的寿命试验曲线 Fig.4 Longevity test curve of Pd-Ba alloy

表3 几种氧化物的δmax值Table 3 δmaxof some oxides

材 料	二次电子发射系数δmax	原电子能量 (Ep)
BeO	3.4	2000
MgO	2.4~4	400~1500
CaO	2.2	500
BaO	4.8~6.5	400
Al2O3	1.5~4.8	340~1300
SiO2	2.1~2.9	400~440

4000 h后, 其δ_max值仍能保持在3.7以上, 表现出良好的二次发射性能 ^[3] 。 图5为MgO/Au经电子轰击后的δ_max变化曲线。

美国还进行过MgO/Ag, MgO/Pt金属陶瓷材料二次电子发射性能的研究, 但未见应用报道 ^[4] 。

2.3.2 Pt, Pd/氧化物复合材料

由于铂族合金的δ_max值不够高, 因此, 俄罗斯从90年代中期开展了以Pt, Pd, Ag为基, 以碱金属和碱土金属氧化物为添加组元的二次发射体复合型合金的研究 ^[5,6] 。 利用具有高的二次电子发射系数的氧化物, 使复合材料获得较高的δ_max值。 采用粉末冶金

图5 MgO/Au在电子轰击后δmax的变化曲线 Fig.5 Relation between δmax and Ep of MgO/Au

表4 几种氧化物复合材料的δmaxTable 4 δmaxof some compound materials

组 成	Ep/eV	δmax
Pt-BaO-BeO	40~45	3.6~4.0
Pd-BaO-BeO	35~40	3.6~4.0
Pt-BaO-Li2O	25~30	4.5~4.6
Pd-BaO-Li2O	20~25	4.5~4.7
Pt-BaO-MgO-BeO		2.7~4.3
Pd-BaO-MgO-BeO		2.6~3.7

方法制备合金: 混粉、 压型、 烧结, 加工成所需的样品。 其中, 氧化物相在金属基体中的最佳含量在16%~30%, 烧结后样品的孔隙度为6%~14%, 氧化物相在金属基体中平均尺寸为3 μm, 可获得最佳发射性能。 复合材料的二次电子发射性能见表4。

3 结 语

二次电子发射体是雷达发射机中微波放大管的核心部件, 该材料的质量好坏, 对整管的性能、 寿命等有着重要影响。 我国在二次电子发射材料的研究方面与国外还有一定的差距, 需加强该领域的研究投入。 随着国防现代化的发展, 反隐形武器的研制需要提供更高发射性能、 长寿命的冷阴极材料, 贵金属材料在二次电子发射上具有特殊的性能, 应积极开展新型冷阴极材料的研究, 以满足国土防空的需求。

参考文献

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