阴极中添加剂Cr2O3作用的研究

第27卷第1期电子器件Vol.27,No.12004年3月Chinese Jourmal of Electron DevicesMarch .2004Study of the Additive Cr2 03 on the CathodeZHANG Hong- weil', DING Yao- gen' . BAI Zhen - gang'( 1. Insitue of Elecronics，Chinese Academy of Sciences, Bejing 10080. China;)\2. Craduave School of Chinse Academy of SciencesAbstract:The Cathode with the additive Cr203 is discussed. The results indicate the additive can peduce the workfunction, increase the emitting current density of cathode, and extend lifetime ，improve the ability to endure ion bom-bardment .Key words:Cathode; Additive; Cr20, ; SEMEEACC: 2320; 0580阴极中添加剂Cr2O3作用的研究.张红卫2，丁耀根'，白振纲'(1.中国科学院电子所,北京10080;2.中国科学院研究生院)摘要:主要研究了阴极中添加剂CxO,的作用,该添加剂不仅降低了阴极的逸出功,增大了发射电流密度,而且延长了寿命,同时还增强其耐离子轰击能力。关键词:阴极;添加剂; Cr2O;扫描电镜中圍分类号:TNI03文献标识码:A文章编号:1005 - 9490(2004)01 - 0060 - 03在真空电子器件的研发领域中,阴极技术研究的B型阴极提高10倍。在支取相同电流密度下,覆的进展将在很大程度上决定真空电子器件尤其是大Os阴极工作温度要比非覆Os阴极工作温度低功率微波器件的发展进程"。面临各国在阴极研究100C。 1983 年, Tagneni s, Aida T和Yamamoto s将方面的迅猛发展,我国的阴极研究工作者应该加大Sc203掺人W基海绵中,而HaskerJ.等又将ScH2掺对阴极研究的力度(21。人W基中,同样是在标准工作温度条件下,分别获本文研究阴极中添加剂Cr2O, 的作用。得35 A/cm2和100A/em2的大电流发射。Gartner G.Geitner P则利用激光熔融沉积的办法在W基底上.1添加剂的历史[3-]覆以5 pμm厚的Sc20,。在相同工作温度条件下获得400A/cm2的特大发射。另外，UonisFalceR以所谓添加剂是指阴极基底里不同于发射物质的20wt%Ir+W的混合金属粉压制成新型的钡钨阴极。其它加人物。LoroninJ制作的80 wt%O, + Ru合金基底阴极也称早在1965年,Zalm P和Van Stratum A.T在常规MM型阴极,以及Michael C Green在40 wt%Ir+W的的L型阴极表面上覆以0.5pm的Os膜,当阴极工作合金基底上覆以lIr:W= 1:1的所谓MMM型阴极都温度为800C时,脉冲发射电流密度要比非覆Os膜获得了比普通B型阴极性能好得多的效果。1990 年.收稿日期: 2003- 06-15作者简介:张红卫(1971-)男，中国科学院电子所博士研究生,主要中国煤化工电子技术研究，zhw-yhw@263.nel.MYHCNMHG第|期张红卫,丁耀根等:阴极中添加剂Cr0,作用的研究61韩国的Jong-Seochol 在阴极表面合金层为(1- 10)2.wt%Sc2O, +(10-40) wt% Ir(Ru ReOs)+W的下边不含CrOz储存铝酸盐的腔室里掺人(20- 25)wt%的In2O, 制成新型的L型阴极。当工作温度为750C - 800C时81.9含C20可支取10A/em2电流密度。2实验1.7wm1x1os在本实验中,以一种采用Cr20,作为添加剂的Os+ w MM型阴极为例。图2基底为 Os+ w的含与不舍添加剂其制备工艺是将各占50wt%的Os+ w金属混.C2OMM型阴极其逸出功随工作时间变化的合粉分三层或二层,而其中准备留做发射面的一层曲线里掺人10 wt%的Cr20,压制成阴极体。有时之所以7要分三层压制成型,就是为了给烧结过程中的Cr20,.60疏通提供均匀扩散的渠道,因为上下两层都具有相含Q0同的孔隙度,这样不至于造成Cr202在作为发射面.的一层里局部堆积或者形成梯度。所以烧结后的30Cr20,得到了充分均匀的分布,然后再车制成按尺寸P 20不含C2O2所需要的表面呈弧形的阴极形状,最终浸渍铝酸盐,为图1所示。mix10°i"50w%0, +W+ 10附%0n03围3 Os+W 合金基底含与不含添加剂Cr2O阴极面的MM型阴极发射电流密度随时间变化的曲50m%0 +w+10附%C20z线和电流密度随工作时间变化的曲线如图3所示。其阴极筒工作测试条件为:工作温度是1 000C、脉冲工作比阴极简2%、测试台真空度是2x10~°Pa等。由图3看出,含50u%0.+w50班%0, +WC20,的阴极发射电流曲线要比不含者随时间变化围1压制烧结而只有作为发射面一层里舍有来得小,当接近1 000 h后含Cr20, 的阴极发射电流C20,的MM型阴极基底示意围几乎是不含C202的2倍。对于新制备的或者是刚工作不久的含Cr20,的MM型阴极在低温时要比不含Cz2O,的同类阴极其3结果讨论逸出功低0.1 eV。 而在较高工作温度时只低0.05eV。在工作温度为1100C条件下作加速老炼实验,掺人添加剂后,不论是普通纯w基底阴极、合而只取工作温度为1000C时的逸出功随时间变化金基底阴极,还是覆膜阴极,阴极所有特性都明显地得以提高与改善。的曲线如图2所示。由图2.上看出,工作初期,含有添加剂Cr2O,阴.在电子显微镜下观察掺与不掺添加剂的金属极的逸出功稍有下降,而后渐渐保持恒定,等1000h粉,不难发现,凡掺人添加剂的金属粉颗粒之间分散之后,其逸出功要比不含添加剂Cr20,的阴极低0.1度特别好,尤其是经过充分研磨与搅拌,也就是说添加剂的掺人相当程度地解决了长期困扰阴极工作者eV,这也正是含有添加剂Cr20,阴极的饱和电流密所遇到的合属邮汽△叶营甜A的抱团现象。以.度要高的原因。25 wt9中国煤化工94表示25 m%在电场强度为35 kV/cm情况下测得的阴极饱Re+ WTYHCNMHG的表面SEM图。62电子器件第27卷从图4(a)(b)两图的比较中,我们可以得到结论:添影响孔与孔之间的贯通。而添加剂的掺人,削弱了.加了3wh%C2O,的合金基底中Re与W的分散要远金属粉静电作用或者颗粒之间亲合力,使金属粉本比未添加Cr20,的合金基底更为均匀。身以及不同合金属粉之间得到充分地分散又彻底的均匀混合。不同金属粉之间有效结合面明显扩大，共同的活性增强,整体效应大大突出。添加剂的掺人,不仅使金属粉本身以及不同合金属粉之间得到充分地分散又彻底的均匀混合,而且由图2可以得到:添加剂还有效地阻止覆膜金属与基底之间的相互扩散,相互渗透,这就避免了阴极逸出功随寿命的变化,保证了阴极长时间有足够大的发射能力。并且由图3可以得到阴极寿命被延长的结论,这就可以推断出:添加剂的掺人还有力地将0H85501K三10N0E LHE 24日0阴极发射物质牢牢地吸附在阴极表面上,防止其蒸发,即使在离子轰击下也难脱附。a) 未添加Cs:O,的合金基底4结论从上述的实验及讨论，可以得到结论:阴极中添加剂Cr20,具有优良的性能，该添加剂不仅降低了阴极的逸出功,增大了发射电流密度,而且延长了寿命,同时还增强其耐离子轰击能力。参考文献:[1]丁耀根. 多注速调管技术的新进展[J].真空电子技术，2002.(5):8- 13.(b) 添加Cr:O,的合金基底.[2]张红卫， 师绍明，白振纲，丁耀根.俄罗斯阴极的发展图4 25 wt%Re+ W合金基底的加.[J].真空电子技术,2003.3:60- 62.与不加Cr20,的表面SEM圈[3]白振纲. 添加剂在扩散式阴极基底中的作用[J].真空金属粉由于静电作用或者它们本身特性所致固电子技术,000.3:21- 24.有一种难以分离的亲合力,该亲合力不是原子间的[4] ZalmP, Van A T. Stratum Philips Tech Rev 1996,27 - 69.作用力,而是粉体微粒子表面上显现出的相互凝集[5] Gartner G, Geittner P, Lydtin H. Ritz A. Applied Surface力,多数粒子聚集时凝集力变大。因而造成颗粒与[6Science, 197,111:11-1 17.颗粒之间紧密相吸紧密结合的特征,颗粒度越细这Modem dispenser cathodes[J]. IEEE proc Ptl. 1981, 128(1):19-32.种现象就越发严重,特别是两种金属或由几种金属[7] 美专 利No. 226694(P).组成合金表面或合金基底,因与不同金属粉之间特[8] 美专 利No. 5594299(P) .性相差较大,各自容易抱团,影响了不同金属粉之间的混合,也影响阴极基底孔隙度分布的均匀性,甚至中国煤化工MYHCNMHG