一種Ag?Mg?Al合金次級發(fā)射陰極材料及其制備方法
【專利摘要】一種Ag?Mg?Al合金次級發(fā)射陰極材料及其制備方法，屬于電子發(fā)射陰極技術領域。以金屬銀充當基體，以Mg、Al金屬元素充當活性物質(zhì)，通過感應熔煉、冷軋、退火和磨拋光工藝制備得到Ag?Mg?Al合金薄片；之后將合金薄片在0.5～50.0Pa低壓氧氣氣氛下進行熱活化處理，得到厚度為80?120nm的MgO?Al2O3復合薄膜層。本發(fā)明的新型Ag?Mg?Al合金陰極具有次級發(fā)射系數(shù)大、耐電子轟擊、性能穩(wěn)定、制備工藝流程簡單等優(yōu)點，有望應用于光電倍增管、銫原子鐘等領域。
【專利說明】
-種Ag-Mg-A I合金次級發(fā)射陰極材料及其制備方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種新型Ag-Mg-Ais元合金次級發(fā)射陰極材料及其制備方法，屬于電 子發(fā)射陰極材料制備技術領域。
【背景技術】
[0002] 合金型次級發(fā)射陰極材料具有次級發(fā)射系數(shù)較高、工作性能穩(wěn)定、無需加熱就能 瞬時啟動、制備工藝簡單、延展性好便于機械加工等優(yōu)點，廣泛應用于光電倍增管、飽束管、 磁控管等真空電子器件。目前，WAg-Mg、Cu-Be、Cu-Mg、Ni-Be為代表的傳統(tǒng)合金陰極發(fā)射體 在一次電子能量為150~900eV時，次級電子發(fā)射系數(shù)為3.5~12.0。運類傳統(tǒng)合金陰極在裝 管后短時間內(nèi)能維持較理想的次級發(fā)射性能，但在高能量一次電子束持續(xù)轟擊一段時間 后，其發(fā)射性能將明顯惡化。運主要是因為合金陰極表面氧化膜在真空條件下受電子轟擊 和熱作用而發(fā)生分解和揮發(fā)所致。開發(fā)耐電子轟擊、穩(wěn)定性更好的新型合金陰極是次級電 子發(fā)射陰極材料研究的必然趨勢。通過選擇形成氧化物熱力學穩(wěn)定性好的元素，形成復合 氧化物來改善表面氧化層的結構，可W延長陰極發(fā)射材料的耐轟擊性能。Ab化的化學結合 鍵能較大，穩(wěn)定性好，因此，在Ag-Mg合金基礎上，加入微量的侶元素，通過熱活化處理使其 表面生成MgO-Ab化復合膜，可W提高合金陰極耐電子轟擊性能。Ag-Mg-Al合金陰極有望成 為次級發(fā)射系數(shù)高、耐電子轟擊、性能穩(wěn)定的合金陰極次級發(fā)射材料的選擇之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對傳統(tǒng)二元合金型次級發(fā)射體不耐電子轟擊、使用壽命短等問題，本發(fā)明提供 了一種次級發(fā)射系數(shù)大、耐電子轟擊、次級發(fā)射性能穩(wěn)定的新型Ag-Mg-Al合金陰極材料。
[0004] 本發(fā)明所提供的Ag-Mg-Al合金陰極是通過W下方式實現(xiàn)：
[0005] A. W延展性好、易于加工且導電性能良好的金屬銀充當基體材料，W性質(zhì)較為活 潑的金屬Mg、Al充當活性物質(zhì)，使用感應烙煉爐烙煉制備Ag-Mg-Al合金巧體，其中金屬Mg的 含量1.0~6.Owt%、Al的含量0.5~4.Owt% ;
[0006] B.將烙煉好的Ag-Mg-Al合金巧體進行冷社、退火、表面磨拋光和裁切，得到成分均 勻、表面光滑合金薄片(如尺寸為IOmmX IOmmX0.5mm)。
[0007] C. Ag-Mg-Al合金薄片在低真空0.5Pa條件下通入微量氧氣進行熱活化處理，在材 料表面得到80-120nm的MgO-AhOs復合薄膜層。
[000引上述方法步驟A中，所述感應烙煉工藝為:在烙煉爐石英管中放入樣品，用機械累 預抽真空至0.5Pa，再充入微量低壓50化高純氣氣(99.999 %純)保護，通過感應加熱升溫至 1250°C，保溫2min后自然冷卻至室溫。
[0009] 上述方法步驟B中，所述退火工藝為:樣品放入管式爐內(nèi)，在持續(xù)通入氣氣保護條 件下升溫至450°C保溫70min后自然冷卻至室溫。
[0010] 上述方法步驟B中，所述表面磨拋光工藝為：依次W2000#、3000#SiC砂紙磨光，之 后依次W 2.5]im、1. Ojim金剛石拋光膏拋光合金薄片樣品表面。
[0011] 上述方法步驟C中，所述低真空熱活化處理工藝為:將Ag-Mg-Al合金薄片在0.5~ 50.0化低壓氧氣氣氛下升溫至400~700 °C保溫10~60min。熱活化處理后，合金樣品表面獲 得顏色為均勻淺黃色、厚度優(yōu)選為IOOnm的MgO-Als化復合薄膜層。
[0012] 本發(fā)明最終得到次級發(fā)射系數(shù)高(最大次發(fā)射系數(shù)Smax〉7)、耐電子轟擊(一次電 子能量為0.0 lSeV持續(xù)轟擊250小時后最大次級發(fā)射系數(shù)S仍大于5)、次級發(fā)射性能穩(wěn)定的 Ag-Mg-Al合金陰極，合金陰極表面薄膜呈致密均勻鱗片狀，平均鱗片顆粒巧Onm。
【附圖說明】
[0013] 為了更詳實地表述該發(fā)明實施例的技術方案，W下對實施例描述中所使用的附圖 作簡單介紹。顯然，W下描述中的附圖僅為本發(fā)明的一些實施例的附圖，對于該領域普通技 術人員來講，在未付諸創(chuàng)造性勞動的前提下，還可依據(jù)此類附圖獲得其它的附圖。
[0014] 圖1為實施例1所制的Ag-lMg-2Al合金樣品熱活化處理后的表面顯微形貌；
[001引圖2為實施例1所制的Ag-lMg-2Al合金樣品熱活化處理后的俄歇電子能譜元素縱 向分布圖；
[0016]圖3為實施例1的一次電子能量-次級發(fā)射系數(shù)曲線圖；
[0017]圖4為實施例2的一次電子能量-次級發(fā)射系數(shù)曲線圖；
[0018]圖5為實施例3的一次電子能量-次級發(fā)射系數(shù)曲線圖；
[0019]圖6為實施例4的一次電子能量-次級發(fā)射系數(shù)曲線圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明并不限于W下實施例。
[0021] 實施例1
[0022] (1)將15.782g 銀片（99.99%純）、0.036旨儀顆粒（99.99%純）和0.081旨侶粉 (99.99%純)置入石墨相蝸中（其中Mg、Al分別占Ag-Mg-Al合金的Iwt%和2wt%)，并將其放 入小型感應烙煉爐石英管中，用機械累預抽真空至0.5Pa，再充入微量低壓50化高純氣氣保 護，關閉進出氣閥。啟動感應加熱，使相蝸升溫至1250°C，保溫2min后自然冷卻至室溫，得到 合金巧體；
[0023] (2)將烙煉制備的合金巧體冷社至0.5mm厚薄片，之后在真空管式爐中氣氣氣氛保 護下于450°C保溫70min，消除冷社引起的材料殘余內(nèi)應力。
[0024] (3)將樣品裁減成10mmX10mm薄片，依次用800#、2000#、3000#SiC砂紙打磨樣品表 面，再依次用2.5皿、1.0皿金剛石拋光膏拋光，得到表面光滑均勻的Ag-lMg-2Al(質(zhì)量百分 比)合金薄片材料；
[0025] (4)將Ag-lMg-2Al合金薄片樣品放入特制管式爐中，用旋片式機械累抽真空至腔 室內(nèi)真空度為0.5Pa，再通過流量控制器持續(xù)通入微量氧氣，控制腔室真空度為5. OPa。管式 爐升溫至650°C保溫60min，獲得Ag-lMg-2Al合金陰極樣品。
[0026] (5)用自制次級發(fā)射測試系統(tǒng)測試陰極樣品的次級發(fā)射系數(shù)隨一次電子能量變化 曲線，見圖3。采用一次電子能量為0.OlSeV(極間電壓600V，電流30yA)進行陰極次級發(fā)射壽 命實驗，結果總結于表1。
[0027] 圖1為Ag-lMg-2Al合金陰極活化處理后的表面顯微形貌圖，可見表面薄膜呈致密 均勻鱗片狀，平均鱗片顆粒巧Onm。圖2為Ag-lMg-2Al合金陰極活化處理后表面俄歇電子能 譜元素縱向分布圖，可W看出表面1 OOnm W內(nèi)為Mg、A巧日O元素，表明表面形成MgO-AlsO復合 薄膜。復合氧化物薄膜中MgO成分占絕大部分，運是其次級發(fā)射系數(shù)高的主要原因，而Al2〇3 的存在提高了陰極的耐電子束轟擊性能。
[0028] 實施例2
[0029] (1)將17.782旨銀片（99.99%純）、0.042旨儀顆粒（99.99%純）和0.187旨侶粉 (99.99%純)置入石墨相蝸中（其中Mg、Al分別占Ag-Mg-Al合金的Iwt%和4wt%)，并將其放 入小型感應烙煉爐石英管中，與實施例1類似，感應加熱石墨相蝸及其中樣品至125(TC，保 溫2min后自然冷卻至室溫，得到合金巧體；
[0030] (2)將烙煉制備的合金巧體冷社至0.5mm厚薄片，之后在真空管式爐中氣氣氣氛保 護下于450°C保溫70min，消除冷社引起的材料殘余內(nèi)應力。
[0031] (3)將樣品裁減成10mmX10mm薄片，依次用800#、2000#、3000#SiC砂紙打磨樣品表 面，再依次用2.5皿、1.0皿金剛石拋光膏拋光，得到表面光滑均勻的Ag-lMg-4Al(質(zhì)量百分 比)合金薄片材料；
[0032] (4)將Ag-lMg-4Al合金薄片樣品放入特制管式爐中，用旋片式機械累抽真空至腔 室內(nèi)真空度為0.5Pa，再通過流量控制器持續(xù)通入微量氧氣，控制腔室真空度為5. OPa。管式 爐升溫至700°C保溫30min，獲得Ag-lMg-4Al合金陰極樣品。
[0033] (5)用自制次級發(fā)射測試系統(tǒng)測試陰極樣品的次級發(fā)射系數(shù)隨一次電子能量變化 曲線，見圖4。采用一次電子能量為0.OlSeV(極間電壓600V，電流30yA)進行陰極次級發(fā)射壽 命實驗，結果總結于表1。
[0034] 實施例3:
[0035] 首先，將16.462邑銀片（99.99%)、0.076邑儀顆粒（99.99%)和0.086邑侶粉 (99.99%)置入石墨相蝸中（其中Mg、Al分別占Ag-Mg-Al合金的2%和2%)，并將其放入小型 感應烙煉爐石英管中，與實施例一類似，感應加熱石墨相蝸及其中樣品至1250°C，保溫2min 后自然冷卻至室溫，得到合金巧體；
[0036] (2)將烙煉制備的合金巧體冷社至0.5mm厚薄片，之后在真空管式爐中氣氣氣氛保 護下于450°C保溫70min，消除冷社引起的材料殘余內(nèi)應力。
[0037] (3)將樣品裁減成10mmX10mm薄片，依次用800#、2000#、3000#SiC砂紙打磨樣品表 面，再依次用2.5皿、1.0皿金剛石拋光膏拋光，得到表面光滑均勻的Ag-2Mg-2Al(質(zhì)量百分 比)合金薄片材料；
[0038] (4)將Ag-2Mg-2Al合金薄片樣品放入特制管式爐中，用旋片式機械累抽真空至剛 玉管腔室內(nèi)真空度為〇.5Pa，再通過流量控制器持續(xù)通入微量氧氣，控制腔室真空度為 40Pa。管式爐升溫至600°C保溫30min，獲得Ag-2Mg-2Al合金陰極樣品。
[0039] (5)用自制次級發(fā)射測試系統(tǒng)測試陰極樣品的次級發(fā)射系數(shù)隨一次電子能量變化 曲線，見圖5。采用一次電子能量為0.OlSeV(極間電壓600V，電流30yA)進行陰極次級發(fā)射壽 命實驗，結果總結于表1。
[0040] 實施例四：
[0041 ] (1)將18.71知銀片(99.99%)、0.089邑儀顆粒(99.99%)和0.199邑侶粉(99.99%) 置入石墨相蝸中（其中Mg、Al分別占Ag-Mg-Al合金的2%和4% )，并將其放入小型感應烙煉 爐石英管中，與實施例1類似，感應加熱石墨相蝸及其中樣品至1250°C，保溫2min后自然冷 卻至室溫，得到合金巧體；
[0042] (2)將烙煉制備的合金巧體冷社至0.5mm厚薄片，之后在真空管式爐中氣氣氣氛保 護下于450°C保溫70min，消除冷社引起的材料殘余內(nèi)應力。
[0043] (3)將樣品裁減成10mmX10mm薄片，依次用800#、2000#、3000#SiC砂紙打磨樣品表 面，再依次用2.5皿、1.0皿金剛石拋光膏拋光，得到表面光滑均勻的Ag-2Mg-4Al(質(zhì)量百分 比)合金薄片材料；
[0044] (4)將Ag-2Mg-4Al合金薄片樣品放入特制管式爐中，用旋片式機械累抽真空至腔 室內(nèi)真空度為0.5Pa，再通過流量控制器持續(xù)通入微量氧氣，控制腔室真空度為25化。管式 爐升溫至550°C保溫60min，獲得Ag-2Mg-4Al合金陰極樣品。
[0045] (5)用自制次級發(fā)射測試系統(tǒng)測試陰極樣品的次級發(fā)射系數(shù)隨一次電子能量變化 曲線，見圖6。采用一次電子能量為0.OlSeV(極間電壓600V，電流30yA)進行陰極次級發(fā)射壽 命實驗，結果總結于表1。
[0046] 表1Ag-Mg-Al合金的次級發(fā)射壽命總結
[0047]
[004引 W上所述僅為本發(fā)明的主要實施方案，然而本發(fā)明并非局限于此，凡在不脫離本 發(fā)明核屯、的情況下所做的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權項】
1. 一種Ag-Mg-Al三元合金次級發(fā)射陰極的制備方法，其特征在于，主要按照下列步驟 制備： A. 以延展性好、易于加工且導電性能良好的金屬銀充當基體材料，以性質(zhì)較為活潑的 金屬Mg、A1充當活性物質(zhì)，使用感應熔煉爐熔煉制備Ag-Mg-Al合金坯體； B. 將熔煉好的Ag-Mg-Al合金坯體進行冷乳、退火、表面磨拋光和裁切，得到成分均勻、 表面光滑合金薄片； C. Ag-Mg-Al合金薄片在低真空條件下通入微量氧氣進行熱活化處理，在材料表面得到 80_120nm的Mg〇-Al2〇3復合薄膜層。2. 按照權利要求1的一種Ag-Mg-Al合金陰極的制備方法，其特征在于，步驟A中的Ag-Mg-Al合金中 1 · 0~6 · 0wt%Mg、0 · 5~4. Owt%Al。3. 按照權利要求1的一種Ag-Mg-Al合金陰極的制備方法，其特征在于，步驟A中的感應 熔煉工藝為：在熔煉爐石英管中放入樣品，用機械栗預抽真空至〇.5Pa，再充入微量低壓 50Pa高純氬氣保護，通過感應加熱升溫至1250°C，保溫2min后自然冷卻至室溫。4. 按照權利要求1的一種Ag-Mg-Al合金陰極的制備方法，其特征在于，步驟B中的退火 工藝為：樣品放入管式爐內(nèi)，在持續(xù)通入氬氣保護條件下升溫至450°C保溫70min后自然冷 卻至室溫。5. 按照權利要求1的一種Ag-Mg-Al合金陰極的制備方法，其特征在于，步驟B中的表面 磨拋光工藝為：依次采用800#、2000#、3000#SiC砂紙磨光，之后依次用2.5μπι、1. Ομπι金剛石 拋光膏拋光合金薄片表面。6. 按照權利要求1的一種Ag-Mg-Al合金陰極的制備方法，其特征在于:步驟C中的熱活 化工藝為:在0.5~50.0 Pa低壓氧氣氣氛下將Ag-Mg-Al合金薄片加熱至400~700°C，保溫10 ~60min〇7. 按照權利要求1-6任一項制備方法制備得到的Ag-Mg-Al合金陰極。
【文檔編號】H01J9/02GK106098501SQ201610534671
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月8日
【發(fā)明人】王金淑, 張權, 周帆, 王飛飛, 賴陳, 董麗然, 田明創(chuàng), 楊韻斐
【申請人】北京工業(yè)大學