摘要
随着真空电子器件的不断发展，其对阴极工作电流密度的要求也逐渐增大，甚至超过了目前阴极的极限。含钪阴极作为下一代大电流密度热阴极的候选者，具有电流密度大、工作温度低等优点，因此受到了研究者的广泛关注。但是由于含钪阴极的抗中毒、抗离子轰击等对环境综合适应能力较差，因此一直未得到广泛的应用。虽然经过了大量的研究和改进，阴极的发射均匀性和发射电流密度有了一定提高，但阴极性能的重复性和抗离子轰击能力依旧无法满足器件的使用需求。同时，含钪阴极的电子发射机理以及其表面活性物质的形成机制尚不明确。因此本论文针对含钪阴极所存在的问题以及器件对更高电流密度的需求，采用实验结合理论计算的方法开展了相应的研究。 本研究分别采用喷雾干燥、溶胶凝胶的方法了合成Sc2O3掺杂WO3粉，并就Sc的掺入对粉体的还原过程以及还原后W的形貌、粒径的影响进行了研究。结果显示，掺杂粉体中生成的Sc2W3O12会提高粉体的还原温度，并减缓还原速率，减小氧化钨的挥发，从而起到细化晶粒的作用。在此基础上，通过粉末冶金的方法制备了阴极基体，并就Sc2O3对W烧结致密化的影响进行了研究。结果显示，由于Sc2O3对W不同晶面的表面能影响程度存在差异，从而导致高温烧结后基体中的W(112)暴露面增多。而相较于W(110)面，W(112)面上的W原子自扩散能垒更高，再加上氧化物对W原子的钉扎作用，从而使Sc2O3掺杂W粉的烧结活化能高于同等粒径的纯W粉。 鉴于Re对阴极发射性能的提升作用，对Re、W合金粉体还原和烧结机理进行了研究。研究发现，高铼酸铵与W粉进行混合并在适当条件还原，可以制备获得具有核壳结构的Re包覆W粉。其主要原因是，在还原时Re的氧化物具有高挥发性，这些氧化物在相对富氧的条件下可以挥发沉积于W表面，并在高温时被还原成Re。而液相混合制备的粉体，W和Re混合得更加均匀，且由于还原过程中W和Re生成复合氧化物，W和Re原子的迁移能力减弱，从而使得粉体粒径明显细化。对粉体进行压型、烧结，发现Re和W界面处会优先生产Re3W中间层，其主要原因是Re3W较其他的Re-W合金相在低温时形成能更低。同时发研究现，Re3W和ReW相的表面原子自扩散能力较高，因此其烧结致密化难度较大，易形成多孔体，有利于存储活性盐。 对稀土氧化物与411铝酸钡盐的成盐机理进行分析研究，采用固相混合方法合成不同化学计量比的含稀土活性盐。分析结果表明，Sc2O3与411盐融合的能力明显强于Y2O3、Gd2O3等其他稀土氧化物，其原因是Sc能够替代部分Al，占据Ba2ScAlO5的Metal-O四面体位置和八面体位置，而Y等大尺寸原子则很难进入四面体点位。对活性盐与难熔金属在高温反应后的物相进行研究和分析，发现Re、Os等金属与411盐以及含稀土活性盐均不发生反应，而W则可以与活性盐发生反应生成钨酸盐以及铝钨酸盐。同时，结合理论计算发现，四面体位置的Sc具有更高的活性，容易被置换生成自由Sc，而八面体位置稀土原子较为稳定。 采用不同粒径粉体和烧结工艺制备具有不同W晶粒尺寸的阴极并对其性能进行测试。结果显示，小粒径纯W基体在浸渍过程中生成的低活性钨酸盐降低了阴极的发射性能。过高含量的Re会阻碍活性物质的产生，导致阴极性能下降，但是低含量的Re可以降低表面逸出功，提高阴极的发射性能。实验基于Re\W包覆粉体制备了表面具有Re3W和少量ReW成分的含钪阴极，其在850℃脉冲发射电流密度可以达到86A/cm2以上，是传统的Sc-W阴极的2-3倍，并且其抗离子轰击能力也好于Sc2O3掺杂W基阴极。另外，通过理论计算发现阴极表面的Ba-3O结构能降低阴极表面逸出功，而Sc以及Sc2O3表面容易形成Ba-3O结构，从而使阴极具有较强的电子发射能力。
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