基于阳极氧化Ag-Mg-Al合金的可控活化及其次级电子发射性能研究

Secondary electron emission (SEE) cathodes of Ag-Mg alloys have broad applications on military and civilian vacuum electron devices such as magnetron, electron multiplier and plasma display panel. These cathodes show high secondary emission coefficients, simple preparation processes, they have drawbacks of low emission stability and unsatisfactory durability. In this study, we propose to add trace amount of aluminium element to prepare Ag-Mg-Al solid solution alloy, in order to improve the durability of the cathode’s surface subject to constant bombardment of electrons/ions by the development of MgO-Al2O3 thin film through activation process. Anodizing technique is adopted as a controllable activation method. The influence of the amount of aluminium on modifying the characteristic of the surface oxide film and its secondary emission property will be studied. Ion transport process during anodizing of Ag-Mg-Al alloys will be analyzed. Furthermore, the influence of anodizing parameters on the physical properties of the surface films and the essential relation between the thin film properties and the secondary emission properties of the alloy cathodes will be investigated. Novel alloy-type SEE cathodes with compact and stable surface film, as well as good secondary emission coefficient and emission stability for high power electron multiplier are expected to be obtained.

Ag-Mg合金次级电子发射阴极在磁控管、电子倍增管、等离子体显示平板等军用和民用真空电子器件中有着广泛应用，具有较高的次级发射系数，制备工艺简单，但同时存在发射稳定性不高、寿命不理想的缺点。本项目拟在传统Ag-Mg合金次级发射体基础上，添加微量Al元素，熔炼制备Ag-Mg-Al固溶体合金，通过活化处理在表面形成MgO-Al2O3复合膜以提高阴极的耐电子/离子轰击性能，延长阴极使用寿命；并采用阳极氧化技术对合金进行可控活化处理。研究Al元素添加含量对调控表面氧化膜特性及次级发射性能的影响，分析Ag-Mg-Al合金阳极氧化离子迁移动力学过程，探索阳极氧化工艺对合金表面成膜的物理特性的影响规律以及氧化膜特性与合金发射体的次级发射性能的关联本质，以期获得适用于高功率电子倍增管的表面膜层致密、稳定且次级发射性能和发射稳定性均较好的新型合金次级发射阴极。

MgO薄膜具有很高的次级电子发射系数（δ），在等离子平板显示器、质谱仪、光谱仪、铯原子钟中的光电倍增管中应用广泛。然而，MgO薄膜存在δ差异较大、不耐电子束/离子束轰击的不足。本项目通过不同方法制备出多种MgO/Al2O3复合薄膜，具有δ较高、较纯MgO薄膜更优异的耐电子轰击性能。研究了阳极氧化、热活化、磁控溅射工艺参数对成膜物理特性的影响规律以及复合薄膜的次级电子发射性能，分析了Al元素在薄膜中的存在形式及其对电子发射性能的影响。.阳极氧化相对热活化处理氧化速率较快，Ag-Mg-Al合金阳极氧化后表面为纳米颗粒松散分布，无法在Ag基体表面稳定成膜，且大部分形成的MgO溶解到电解质中，薄膜的次级电子发射性能不理想。.对Ag-2Mg-2Al合金采用微氧气氛低真空热活化形成氧化膜。在适当的热活化条件下，表面形成50-100 nm的含有Al2O3的MgO薄膜，薄膜的最大次级电子发射系数δm＝7~8，且具有比Ag-3Mg合金表面形成的纯MgO薄膜更优异的耐电子轰击性能。Mg原子较Al原子扩散速度快，最终形成近表面为一薄层MgO，下面是MgO/Al2O3复合层的薄膜结构。热活化的Al-5Mg同样具有很好的次级发射性能，δ高达8-10，以较高能量（一次电子能量600 eV，电流密度5 mA/cm2）一次电子束持续轰击260小时，δ无明显衰减，稳定性好。由于Al2O3具有较MgO更高的化学键离解能，Al2O3的存在提高了薄膜的稳定性，从而提高了薄膜阴极的耐电子轰击能力。.采用Mg-Al合金靶材、氩氧气氛条件下直流反应磁控溅射沉积，获得了结晶性较好的MgO/Al2O3复合薄膜。复合薄膜中成分分布均匀，Mg元素以MgO形式存在，Al元素以Al2O3为主，并存在少量未被氧化的单质Al。复合薄膜的δ高达12，远优于纯MgO薄膜。复合薄膜同时具有优异的耐电子轰击性能，在高能电子束持续轰击200小时后次级发射系数仍高于3。分析认为，是Al2O3的存在提高了薄膜的稳定性及耐电子轰击能力；微量单质Al的存在改善了薄膜的导电性，有利于缓解表面荷电效应的不利影响。