稀土钨基钡扩散型次级阴极研究

With the development of magnetrons towards high powder and high frequency, the cathodes which provide better thermionic property and secondary emission capability has become the key issue to meet the requirement of the vacuum electron devices. Based on the theoretical idea of using rare earth oxide (RE2O3) as the seconday emission materials and Ba-O active substance layer to provide the thermionic emission, RE2O3-W matrix Ba-dispenser secondary cathode will be developed in this work. The Rare earth oxide and rare earth oxide composites have been chosen through first princile calculation method based on the established vacuum cell model. RE2O3 doped W powder is prepared by liquid-liquid doping method. In order to control the reduction process, the reduction kinetics of RE2O3 doped WO3 will be studied. The change of the microstrucutre of the RE2O3-W matrix during the sintering period will be studied in order to get the ideal porous RE2O3-W body. The formation of active substance and its diffusion behavior will be studied by thermodynamic calculation and kinetics study, respectively. The formation and maintanience of the active substance layer on the cathode surface, an important issue to keep the emission stability, will be studied based on the evaporation behavior of these substance and kinetics of evaportion process. The correlation among the band structure of rare earth oxide, work function of different crystal plane and emission property will be discussed, togeter with the effects of grain size on the electron emission way. The above work will provide a theoretical guide for the development of novel cathode with good emission performance.

随着磁控管向着高功率和高频率方向发展，对阴极的发射性能提出了高要求。具有较好热发射和次级发射能力的阴极是电真空器件发展的关键。 本项目以稀土氧化物作为次级发射物质，Ba-O活性层提供热发射的新思路，研究制备稀土钨基钡扩散型次级阴极材料。建立真空晶胞模型，采用第一性原理计算方法优选稀土氧化物及复合稀土氧化物。通过液液掺杂技术制备稀土氧化物掺杂钨粉，研究其还原过程动力学，以期实现还原过程控制。研究烧结过程中稀土钨基微观结构变化行为及规律，为多孔钨基体的孔隙控制提供依据。采用热力学及动力学方法分别研究活性元素生成原理及其在阴极中的扩散机制。结合蒸发性能及蒸发过程动力学的研究，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。研究稀土氧化物能带结构、晶面逸出功与发射性能的关系，讨论晶粒尺寸对次级电子发射模式的影响，为获得发射性能优异的阴极提供理论指导。

目前在磁控管中使用的阴极材料，因其发射性能、放射性、稳定性以及成本等问题，难以满足大功率器件的发展需求，因此需要研究新型阴极。为此，本项目在优选稀土元素基础上，制备了浸渍型Y2O3掺杂钨基次级发射阴极，测定了阴极材料的发射性能，并对Y2O3-W阴极体系的次级电子发射物理过程等进行了系列研究。结果显示，计算结果显示，在La2O3-W、Y2O3-W、Gd2O3-W和Lu2O3-W等四种稀土-钨基阴极中，Y2O3-W体系（111）晶面的逸出功最小，优选Y2O3作为发射活性物质。研究发现，钇掺杂的β-W中，间隙的O和相邻的W之间形成了电荷密度较强的共价键，而在纯β-W中间隙的O与相邻的W之间形成了电荷密度较弱的离子键，进而稳定了β-W相的存在。将粉末压制烧结成阴极基体，通过高温浸渍液相共沉淀法制备的活性铝酸盐，成功获得浸渍型Y2O3掺杂钨基次级发射阴极。研究表明，提高Y2O3含量有利于获得孔度更加均匀的发射体，且阴极的发射性能更为优异。其中当Y2O3含量为15 wt%时，充分激活的阴极在1100 oCb时测得的零场电流密度Jo为14.06 A/cm2，阴极的最大次级发射系数δm可以达到3.96。.原位俄歇能谱分析表明，激活良好的浸渍型Y2O3掺杂钨基扩散阴极表面富含Ba、Y、O等活性元素。分析认为，自由Ba及BaO可有效降低表面逸出功，稀土氧化物Y2O3在真空高温条件下发生晶格失氧现象，形成非计量化合物RE2O3-x，使Y2O3成为n型半导体，阴极导电性能增强，有利于提高阴极的发射性能。并提出了活性物质自由Ba和Y2O3的产生途径：即在高温激活过程中，活性物相Ba3Y2WO9会与基体W发生反应生成发射所需的活性物质，是阴极中提供自由Ba和Y2O3的主要来源。利用Monte-Carlo算法对电子运动深度范围进行分析，Y2O3-W阴极中的次级电子发射物理过程模拟显示，晶粒细小的阴极材料，二次电子发射模式也由氧化物中的反射型发射模式和氧化物/金属间形成的透射型发射模式组成。