氧化钪掺杂钨基碱金属压制型阴极研究

随着电真空器件尤其是太赫兹器件的发展，对阴极的电流密度提出了高的要求。获得发射均匀、高电流密度的发射体是器件发展的关键问题之一。.本研究采用液液掺杂技术，获得活性盐掺杂钪钨粉，利用高温烧结法制备钪钨基碱金属压制型阴极。以此阴极为基体，采用电场模拟与现代微加工手段相结合的方法制备太赫兹器件用带状电子束。研究阴极微观结构、表面组成、蒸发和气体中毒性能，与发射性能的研究相结合，探讨其相互关联的本质；采用热力学及动力学方法研究活性元素生成原理及其在阴极中的扩散机制及动力学过程；研究发射表面活性层的物理特性，结合表面扩散动力学、阴极表面吸附和脱附动力学研究，揭示阴极表面活性物质的分布及与逸出功分布的物理规律；认识表面活性层形成机制及维持的动态平衡关系，探讨其发射稳定性与表面活性层之间的关系，为获得具有高发射能力、发射均匀且发射稳定的氧化钪掺杂钨基碱金属压制型阴极提供理论指导。

随着电真空器件尤其是太赫兹器件的发展要求，获得发射均匀、高电流密度的发射体是器件发展的关键问题之一。太赫兹器件不仅要求阴极具有高的电流密度，而且阴极尺寸很小，传统的阴极制备方法无法满足其应用要求。本项目采用溶胶-凝胶的液液掺杂技术，获得活性盐掺杂钪钨粉并结合高温烧结法成功制备出压制型钪钨基扩散阴极。该种阴极制备方法简单，工艺重复性好。获得的阴极钨颗粒形成孔道结构良好的钨骨架亚微米结构，孔度均匀，颗粒之间是活性盐的富集区，这种均匀分布的亚微米结构烧结体会有利于活性物质在激活和工作期间的扩散和补充。该种阴极在850oCb时发射电流密度达到31A/cm2以上，发射均匀性研究结果显示，阴极无论整体还是微区随着温度的提升，发射均匀性改善；阴极微区的均匀性要优于整体；阴极面上面积相同的不同微区的发射不均匀性是不同的。为开发太赫兹真空电子器件用辐射源，采用精密微加工结合电子束电流分布/电子束轨迹模拟，进行基于压制型钪钨基扩散阴极直接产生高电流密度带状电子束获得的研究。结果表明，采用薄膜覆盖层—离子刻蚀法和实体覆盖层—精密微加工法两种方法均可制备出符合要求的阴极组件。采用计算机模拟方法对电子束成型结构的各有关参数，包括厚度、开口处边缘倾角等进行了模拟分析，获得合理的阴极组件结构参数。获得的600μm×100μm带状电子束源，在950oCb时发射电流密度大于50A/cm2工作情况下，电子束截面形状保持规则，电子束电流密度稳定。利用原位俄歇分析，认为激活期间Sc以自由Sc的形式扩散。随着温度的升高，Ba、Sc与O沿着W晶界逐渐表面迁移，在阴极表面形成Ba-Sc-O多层，且自由Sc的产生与自由Ba有直接关系。另外发现激活温度对活性物质的含量有着重要影响。随着激活温度升高，阴极表面Sc元素的扩散速率增加，含量增加迅速；相反阴极表面Ba元素的蒸发速率大于阴极内部扩散速率造成Ba含量减少。含钪扩散阴极工作时的主要活性相有Ba3Sc4O9，Ba3Al2O6，Ba3CaAl2O7及Sc2W3O12等。研究显示，增加活性相的含量并不能促进阴极的电子发射，只有当阴极工作过程中通过化学反应生成活性Ba、O和Sc的比例达到某一最佳范围，阴极才会体现最佳发射状态。活性Sc可能通过Sc2W3O12与Ba反应以及Ba3Sc4O9与W反应的两种方式产生。