專利名稱：天鵝絨復合陰極材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種用于強流電子發(fā)射的石墨陰極材料，特別是天鵝絨復合陰極材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
強流發(fā)射陰極在許多高電壓(> 300 kV)、大電流(> I kA)電子束驅(qū)動源系統(tǒng)中被廣泛應用，如高功率微波、自由電子激光、強流X光、受激準分子激光等。文獻中經(jīng)常研究和報道的強流發(fā)射陰極材料主要包括石墨、金屬、碳纖維以及天鵝絨等，陰極材料的選用將極大地影響著電子束驅(qū)動源系統(tǒng)的設(shè)計及結(jié)構(gòu)，是整個源系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，尤其在高功率微波器件中更是設(shè)計和建立高功率微波源最關(guān)鍵的問題之一。美國在高功率微波源研究方面取得了較快的發(fā)展，就很大程度上得益于在陰極材料的選擇與制備方面所進行的一系列創(chuàng)新性工作。俄羅斯在強流發(fā)射陰極材料及制備技術(shù)研究取得重大進展的基礎(chǔ)上，也成功建立起一系列高水平的脈沖高功率微波源裝置。在眾多強流發(fā)射陰極材料中，天鵝絨材料由于容易使用，同時具有啟動快、發(fā)射閾值低和發(fā)射較均勻等特點，在低阻器件中得到了較好的應用。然而，由干天鵝絨陰極在脈沖放電過程中的等離子體放電容易造成ニ極管電壓升高，給器件的有效運行帶來了一定限制；同時脈沖過程中產(chǎn)生的等離子體間隙閉合問題也會引起ニ極管阻抗的明顯變化，因而減弱慢波結(jié)構(gòu)中的束波耦合；此外，等離子體的不均勻發(fā)射以及發(fā)射的不可重復性等問題也會破壞器件的正常運行并縮短陰極的使用壽命。為此，研究人員一方面致カ于尋求天鵝絨陰極的替代材料如碳纖維、鐵電體和石墨等，但試驗結(jié)果表明新材料的實際運行特性相較天鵝絨各有優(yōu)劣；另一方面，從簡便和不改變現(xiàn)有陰極及整個源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的更為實用的技術(shù)途徑出發(fā)，仍希望在保留天鵝絨陰極的情況下，進行一定的表面處理，從而改善天鵝絨陰極的真空放氣問題以及陰極等離子體的不均勻性和不可重復性問題。其中，CsI表面改性天鵝絨陰極是ー種最常見的改善天鵝絨陰極的方法，通過表面涂覆CsI可以有效的削弱陰極等離子體的產(chǎn)生，控制陰極等離子體的不均勻性，但由于CsI自身極其容易吸潮，不利于改性天鵝絨陰極的日常保存和使用；并且CsI改性的天鵝絨陰極自身仍未典型的介電型陰極材料，并非理想的導電型陰極材料。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在強流電子發(fā)射中電流ー電壓一致性較高，能有效的抑制或削弱陰極材料電流發(fā)射過程中等離子體的產(chǎn)生，從而改善陰極材料的真空放氣問題和不均勻性的天鵝絨復合陰極材料及其制備方法。本發(fā)明的解決方案是ー種天鵝絨復合陰極材料，其點是在天鵝絨陰極材料背面和正面均鍍覆ー層高熔點金屬薄膜，所鍍覆高熔點金屬薄膜為鍍覆在天鵝絨陰極材料的纖維表面。本發(fā)明的解決方案中高熔點金屬薄膜為金屬鎢薄膜或金屬鑰薄膜。天鵝絨復合陰極材料的制備方法，其特點是包括以下步驟
a、將天鵝絨陰極材料置于真空電子束蒸發(fā)沉積鍍膜儀中，抽
真空至真空度1.0 7. OX 10_3 Pa，將天鵝絨陰極加熱至200 300°C ；
b、啟動聚焦電子束，使其轟擊高熔點金屬靶材表面20 40 分鐘，聚焦電子束流密度為200 300 mA，然后自然冷卻；
C、將天鵝絨陰極材料在真空電子束蒸發(fā)沉積鍍膜儀中位置換一面，重復以上步驟(a廣(b)，完成背面和正面鍍覆。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明中采用高熔點金屬的電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，在傳統(tǒng) 天鵝絨陰極材料的正面和背面鍍覆ー層致密的金屬薄膜，從而形成高熔點金屬-天鵝絨的導電型復合陰極材料。本發(fā)明的天鵝絨復合陰極材料可提高電子發(fā)射過程中的電流ー電壓一致性，有效的抑制或削弱陰極材料電流發(fā)射過程中等離子體的產(chǎn)生，從而改善陰極材料的真空放氣問題和不均勻性。而與傳統(tǒng)金屬陰極相比，制作容易，且有更低的發(fā)射閾值。
圖I是傳統(tǒng)天鵝絨陰極(a)與本發(fā)明(b)的對比SEM照片；
圖2是傳統(tǒng)天鵝絨陰極(a)與本發(fā)明(b)的強流電子發(fā)射典型電壓-電流波形對比圖。
具體實施例方式本發(fā)明實施例一將天鵝絨陰極材料正面置于真空電子束蒸發(fā)沉積鍍膜儀的樣品架上，抽沉積室的真空至真空度為3.0 X 10_3 Pa，并加熱天鵝絨陰極至250 V ;啟動聚焦電子束，使其轟擊石墨坩堝中的金屬鎢靶，調(diào)節(jié)電子束束流密度至300 mA ;待電子束持續(xù)轟擊鎢靶30分鐘后，關(guān)閉聚焦電子束，再關(guān)閉真空系統(tǒng)；將天鵝絨陰極在真空電子束蒸發(fā)沉積鍍膜儀中位置換一面，再重復以上步驟以便在天鵝絨陰極的背面鍍覆上金屬鎢的薄膜，從而獲得高熔點金屬鎢薄膜-天鵝絨的復合陰極材料。實施例ニ
將天鵝絨陰極材料正面置于真空電子束蒸發(fā)沉積鍍膜儀的樣品架上，抽沉積室的真空至真空度為3.0 X 10_3 Pa，并加熱天鵝陰極至250で;啟動聚焦電子束，使其轟擊石墨坩堝中的金屬鑰靶，調(diào)節(jié)電子束束流密度至300 mA ;待電子束持續(xù)轟擊金屬鑰靶30分鐘后，關(guān)閉聚焦電子束，再關(guān)閉真空系統(tǒng)；將天鵝絨陰極在真空電子束蒸發(fā)沉積鍍膜儀中位置換一面，再重復以上步驟以便在天鵝絨陰極的背面鍍覆上金屬鑰的薄膜，從而獲得高熔點金屬鑰薄膜-天鵝絨的復合陰極材料。實施例三
將天鵝絨陰極材料正面固定于真空電子束蒸發(fā)沉積鍍膜儀的樣品架上，抽沉積室的真空至真空度為I. O X 10_3 Pa，并加熱天鵝陰極至300で；啟動聚焦電子束，使其轟擊石墨坩堝中的金屬鎢靶，調(diào)節(jié)電子束束流密度至250 mA ;待電子束持續(xù)轟擊鎢靶40分鐘后，關(guān)閉聚焦電子束，再關(guān)閉真空系統(tǒng)；將天鵝絨陰極在真空電子束蒸發(fā)沉積鍍膜儀中位置換一面，再重復以上步驟以便在天鵝絨陰極的背面鍍覆上金屬鎢的薄膜，從而獲得高熔點金屬鎢薄膜-天鵝絨的復合陰極材料。圖I中從SEM照片對比來看，鍍覆金屬鎢薄膜后基本上并未改變天鵝絨自身的纖維狀結(jié)構(gòu)，說明所有的金屬鎢薄膜基本上是鍍覆在天鵝絨的單根纖維之上的，而不是在表面形成一種致密的層狀薄膜。圖2中在雙脈沖測試條件下，其中深色實線為ニ極管電壓曲線，淺色空心線為陰極發(fā)射電流曲線，傳統(tǒng)天鵝絨陰極材料(圖2b)的第一個脈沖和第二個脈沖的發(fā)射電流的電壓ー電流之間的一致性較差，第二個脈沖電流強度明顯大于第一個脈沖電流強度(在脈沖I電壓強度大于脈沖2電壓強度的條件下)，說明在該種條件下，天鵝絨陰極發(fā)射是典型的強電場作用下的場致等離子發(fā)射，且當?shù)诙€電壓脈沖到來時，第一個脈沖發(fā)射時陰極表面附近的等離子體還沒有完全復合，可能在局部有較大的密度分布，該部分的等離子體在外電場作用下迅速得到增強，從而形成局部高密度等離子體。而高熔點金屬鎢薄膜-天鵝絨復合陰極(圖2a)的第一個脈沖和第二個脈沖的發(fā)射電流的電壓ー電流之間的一致性較好，說明采用表面鍍覆金屬鎢薄膜的方式，在多脈沖條件下，可以有效地抑制或削弱場致等離子體的產(chǎn)生，從而減小前一個脈沖的等離子體對后ー個脈沖發(fā)射的影響。
權(quán)利要求
1.ー種天鵝絨復合陰極材料，其特征在于在天鵝絨陰極材料背面和正面均鍍覆ー層高熔點金屬薄膜，所鍍覆高熔點金屬薄膜為鍍覆在天鵝絨陰極材料的纖維表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的天鵝絨復合陰極材料，其特征在于高熔 點金屬薄膜為金屬鎢薄膜或金屬鑰薄膜。
3.—種如權(quán)利要求I所述的天鵝絨復合陰極材料的制備方法，其 特征在于包括以下步驟 a、將天鵝絨陰極材料置于真空電子束蒸發(fā)沉積鍍膜儀中，抽 真空至真空度1.0 7.0 X 10_3 Pa，將天鵝絨陰極加熱至200 300°C ； b、啟動聚焦電子束，使其轟擊高熔點金屬靶材表面20 40 分鐘，聚焦電子束流密度為200 300 mA，然后自然冷卻； C、將天鵝絨陰極材料在真空電子束蒸發(fā)沉積鍍膜儀中位置換一面，重復以上步驟(a廣(b)，完成背面和正面鍍覆。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于強流電子發(fā)射的天鵝絨復合陰極材料及其制備方法，在天鵝絨陰極材料背面和正面均鍍覆一層高熔點金屬薄膜，所鍍覆高熔點金屬薄膜為鍍覆在天鵝絨陰極材料的纖維表面。其制備方法是將天鵝絨陰極材料置于真空電子束蒸發(fā)沉積鍍膜儀中，啟動聚焦電子束，使其轟擊高熔點金屬靶材表面20~40分鐘，自然冷卻，將天鵝絨陰極材料位置換一面，重復以上步驟完成背面和正面鍍覆。本發(fā)明的天鵝絨復合陰極材料可提高電子發(fā)射過程中的電流—電壓一致性，有效的抑制或削弱陰極材料電流發(fā)射過程中等離子體的產(chǎn)生，從而改善陰極材料的真空放氣問題和不均勻性。而與傳統(tǒng)金屬陰極相比，制作容易，且有更低的發(fā)射閾值。
文檔編號H01J1/304GK102683135SQ20111005262
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月7日
發(fā)明者熊鷹, 王兵 申請人:西南科技大學