稀有金属 2008,(01),50-53 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.01.002
掺杂氧化铈钡钨阴极的结构和发射性能的研究
沈春英 丘泰
南京工业大学材料科学与工程学院,南京工业大学材料科学与工程学院,南京工业大学材料科学与工程学院 江苏南京210009,江苏南京210009,江苏南京210009
摘 要：
采用CeO2与钨粉机械混合, 制备了满足大功率微波器件要求的高性能掺杂CeO2钡钨阴极, 利用扫描电镜、压汞仪等测试手段分析了阴极的微观结构。用水冷阳极二极管检测了阴极的发射性能。研究表明, 掺杂CeO2钡钨阴极孔径分布较窄, 为0.43 .6μm, 平均孔径为2μm。在阴极正常工作温度1050℃下, 掺杂CeO2钡钨阴极的直流发射电流密度和脉冲发射电流密度分别为6.33, 17.48 A.cm-2, 明显优于传统钡钨阴极, 满足大功率微波器件要求。
关键词：
稀土 ;CeO2 ;钡钨阴极 ;发射电流密度 ;
中图分类号： O462
收稿日期： 2007-05-21
Study on Microstructure and Emission Properties of Ba-W Cathodes Doped with CeO2
Abstract：
A new barium-tungsten cathode was prepared by mechanical mixing CeO2 with tungsten matrix.Its microstructure was studied by means of scanning electronic microscope (SEM) and mercury intrusion poremeasurement (MIP) .The emission characteristics were investigated with water-cooled anode diode.The result showed that barium-tungsten cathode doped with CeO2 had symmetrical distribution of pore diameter, 0.4～3.6 μm, average pore size was 2 μm.At the normal working temperature (1050 ℃) for cathode, barium-tungsten cathode doped with CeO2 exhibited excellent characteristics of the direct and pulse emission current density, comparing with the conventional barium-tungsten cathode, and its emission current density of direct and pulse were 6.33 and 17.48 A·cm-2, respectively.This emission current density could satisfy the requirements of high-power microwave devices.
Keyword：
rare earths;CeO2;barium-tungsten cathode;emission current density;
Received： 2007-05-21
阴极作为真空电子器件的心脏部件, 在大功率磁控管中有着广泛的应用。 目前在大功率磁控管中使用的主要是Th-W阴极和Ba-W阴极。 Th-W阴极虽有发射稳定、 耐轰击等优点, 但钍是放射性元素, 半衰期长达1.39×1010 年, 对环境和人体健康造成极大的危害, Th-W阴极正逐步被Ba-W阴极替代
[1 ,2 ]
。 Ba-W阴极以其优异的脉冲发射性能广泛用于各类中小真空电子器件, 但满足不了大功率微波器件电流密度大、 寿命长的要求。
大量研究表明
[3 ,4 ,5 ,6 ,7 ]
, 在多孔钨基中掺杂高熔点、 低逸出功的稀土氧化物La2 O3 , Y2 O3 等, 作为弥散强化第二相, 可以提高再结晶温度, 降低阴极的逸出功, 提高阴极的发射性能。 国内外对于掺杂稀土CeO2 电极材料的研究较多
[8 ,9 ,10 ]
, 而对于掺杂CeO2 热阴极的报道较少。 为此, 本文在多孔钨基内添加了高熔点、 低逸出功的稀土CeO2 , 制备了满足大功率微波器件发射电流要求的CeO2 -W浸渍型钡钨阴极, 并对其结构和发射性能进行了研究。
1 实 验
1.1 原料
实验原料: 金属钨粉, 株洲硬质合金有限公司生产, 平均颗粒尺寸4～5 μm; 氧化铈 (CeO2 ) , 国药集团化学试剂有限公司生产, 纯度99.95%。
1.2 阴极基体制备
1.2.1 传统钡钨阴极制备工艺
将1650 ℃烧结退火处理后的钨粉配蜡、 烘干、 模压成型、 H2 气氛下1400 ℃排蜡, 1900 ℃烧结2 h, 制得气孔率为24%的多孔钨基。 然后在H2 气氛下, 采用“埋粉”浸渍法, 1840 ℃浸渍411 (4BaO∶CaO∶Al2 O3 ) 铝酸盐。
1.2.2 掺杂稀土CeO2钡钨阴极的制备
经1650 ℃烧结退火处理后的钨粉, 与稀土氧化铈 (掺杂量2%) 干法混合12 h, 其他工艺过程同 (1) 。
1.3 试样性能测试
采用日本JEOL, JSM25900型扫描电子显微镜 (SEM) 观察钨基表面和断面的微观结构, 并用Noran VANTAGE DSI型能谱分析仪作元素成分分析; 利用PM60-GT型全自动压汞仪对多孔钨基的孔径大小和分布进行了测试。
阴极的发射性能采用近间距的水冷阳极二极管进行测试。 阴极基体经浸盐、 加工、 蒸涂Ir膜处理后, 制成直径为3 mm, 厚度为1 mm的阴极, 装入水冷阳极二极管, 加热、 激活、 老练8 h后进行发射性能的测试。 测试条件: 阴阳极间的距离为1 mm, 脉冲宽度 (τ ) 为5 μs, 脉冲重复频率 (f ) 为500 Hz, 最高脉冲电压为1500 V。 在1000～1100 ℃下, 测试了阴极的直流和脉冲发射电流密度。
2 结果与讨论
2.1 阴极基体的结构分析
用扫描电镜对掺杂CeO2 多孔钨基和浸盐后阴极断面进行观察。 图1为传统钡钨阴极基体的SEM图, 图2 (a) 为掺杂CeO2 多孔钨基的SEM图, 与图1比较可知, 掺杂CeO2 钡钨阴极基体颗粒大小均匀, 通孔率较高, 有利于发射物质的扩散和迁移。 图2 (b) 为图2 (a) 中A点对应的EDS图。 从EDS分析可知图中暗色区域均为CeO2 颗粒, 分布较均匀。
图3为掺杂CeO2 钡钨阴极浸盐后断面的BEC图, 白色颗粒为钨基, 黑色颗粒为浸渍铝酸盐, 可
图1 传统钡钨阴极钨基的SEM图
Fig.1 SEM micrograph spectra of conventional tungsten matrix
图2 掺杂CeO2钨基的SEM图 (a) 和EDS图 (b)
Fig.2 SEM micrograph (a) and EDS spectra (b) of tungsten matrix doped with CeO2
见钨海绵体中的孔被铝酸盐填充, 通过浸渍前后阴极的质量变化和基体气孔率可得到浸渍度达到90%以上, 而传统钡钨阴极浸渍度只有85%左右, 可见掺杂CeO2 钡钨阴极浸渍效果更理想, 有助于提高阴极发射能力。
2.2 阴极基体内部孔径测试
阴极基体的孔径大小和分布对阴极的发射性能有着重要的影响。 利用压汞仪对阴极基体内部孔径大小和分布进行了测试, 结果见图4。 图4 (a) 为传统钡钨阴极基体的内部孔径分布图, 其孔径大小分布在0.3～5 μm, 平均孔径为1.5 μm, 且存在一些孔径达到8～9 μm的大孔。 图4 (b) 为掺杂CeO2 钡钨阴极基体的内部孔径分布图, 其孔径大小分布较窄, 在0.4～3.6 μm, 平均孔径为2 μm。 研究表明
[11 ]
, 基体平均孔径为1.98 μm左右时, 阴极的发射性能和寿命都是最佳的。 掺杂CeO2 钡钨阴极基体的平均孔径为2 μm, 有利于电子发射材料的浸渍, 提高阴极的发射性能。
2.3 掺杂氧化铈 (CeO2) 对阴极发射性能的影响
将传统钡钨阴极和掺杂CeO2 钡钨阴极分别装入真空二极管中进行测试, 结果见图5 和6。 图5中以I -U 曲线的形式给出了1000～1100 ℃阴极的直流发射性能。 发射性能通常以伏安特性曲线的零场发射电流表示。 图5 (a) 为传统钡钨阴极直流发射性能曲线, 图5 (b) 为掺杂CeO2 钡钨阴极直流发射性能曲线。 由图可知, 1050 ℃时, 传统钡钨阴极的直流发射电流密度为4.13 A·cm-2 , 而掺杂CeO2 钡钨阴极的直流发射电流密度为6.32 A·cm-2 , 是传统钡钨阴极的1.53倍。
图3 浸盐后阴极断面的BEC图
Fig.3 BEC micrograph of cathode impregnated with emission materials
图4 阴极基体的孔径分布图
Fig.4 Pore distribution of tungsten matrix
(a) Conventional cathode; (b) CeO2 doped cathode
图5 阴极直流发射特性曲线
Fig.5 Direct current emission characteristics of cathode
(a) Conventional cathode; (b) CeO2 doped cathode
图6 阴极脉冲发射特性曲线
Fig.6 Pulse current emission characteristics of cathode
(a) Conventional cathode; (b) CeO2 doped cathode
图6给出了1000～1100 ℃阴极的脉冲发射性能的I -U 曲线。 图6 (a) 为传统钡钨阴极脉冲发射性能曲线, 由图可知, 1050 ℃时, 其脉冲发射电流密度为9.91 A·cm-2 。 图6 (b) 为掺杂CeO2 钡钨阴极脉冲发射性能曲线。 由图可知, 1050 ℃时, 掺杂CeO2 钡钨阴极脉冲发射电流密度为17.48 A·cm-2 是传统钡钨阴极的1.76倍。 由此可见, 在钡钨阴极基体中添加CeO2 后, 无论直流发射性能和脉冲发射性能都有明显的提高。
3 结 论
1. 添加CeO2 后, 有助于改善阴极基体的孔分布, 有利于发射物质的扩散和迁移, 从而提高了阴极的发射性能。
2. 在工作温度1050 ℃下, 掺杂CeO2 钡钨阴极的直流发射电流密度为6.33 A·cm-2 , 是传统钡钨阴极的1.53倍。
3. 在工作温度1050 ℃下, 掺杂CeO2 钡钨阴极的脉冲发射电流密度为17.48 A·cm-2 , 是传统钡钨阴极的1.76倍。
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