摘要
应国家“节能减排”的号召，减少传统能源的消耗，开发新型高效的能源，是其重要的方向之一。微波加热是一种绿色、高效的加热方式，而磁控管又是发射效率最高的真空电子器件，加热功率大、体积小，成本低，是一种理想的微波热源。然而，目前工业用连续波磁控管存在的主要问题之一是寿命相对较短，难以满足一般工业加热的需要。而阴极作为该器件的关键部件之一，是其能够稳定工作的基础，阴极需要具有发射电流密度大，工作温度低，耐电子轰击能力好等优异的性能。但是目前常用的高功率连续波磁控管阴极存在热发射效率低、寿命短等缺陷，其在高功率连续波磁控管中的应用受到了一定程度的限制。 本文通过涂层改性技术（常温压制结合高温氢气烧结），首次采用压制结合高温氢气烧结方式，制备了一种Sc2O3掺杂稀土Y-Gd-Hf-O直热式压制热阴极。利用XRD、SEM等表征手段，对制备的阴极发射活性物质的组成结构与激活前后的表面微观形貌进行分析探究。结果表明，活性物质主要由Y2O3与Y2Hf2O7等稀土化合物组成。该方法得到的阴极表面密实平整，而且活性层中的微孔分布均匀，孔径合理，不仅有利于提高阴极的热发射均匀性，也促进了阴极活性物质的传输与补充。经过1600℃高温激活、老炼处理后，在1550℃的温度下可提供的热发射电流密度为2.08A/cm2,绝对零度逸出功为1.28eV;二次电子发射测试结果显示，阴极的二次电子发射系数可达2.52;耐电子轰击测试结果表明，该阴极在1550℃温度下，负载为1.0A/cm2时，经过480h、10W电子连续轰击后，直流发射电流密度保持在初始值的87.5％，相比于普通浸渍阴极，耐电子轰击能力得到了一定程度的提高。经过对其发射机理探讨，发现阴极经过高温真空激活、老炼后，表面形成了缺氧型的n型半导体R2EO3-x，该结构的出现改善了阴极表面的导电性，降低了逸出功，对提高阴极的热电子发射有促进作用。 为了进一步提高该压制阴极的热发射性能，通过改变掺杂的稀土氧化物Y2O3含量比例，制备了Y2O3/HfO2摩尔比不同的压制式S2O3掺杂Y-Gd-Hf-O直热式阴极。其热发射测试结果显示:随着Y2O3含量的增加，阴极的热发射能力也相应的提高，当Y2O3/HfO2比值为5/2时，阴极的热发射能力更好，1500℃下可提供的直流热发射电流密度为2.79A/cm2;在1500℃的工作温度下，当阴极支取直流负载为1.0A/cm2时，经过7000h，热发射电流密度仍可以保持为初始值的87.5％;该阴极在相同的工作温度下，负载为1.0A/cm2时，经过10W、696h的连续电子轰击后，热发射电流密度仍可以达到初始值的86％，该阴极表现出良好的耐电子轰击能力和热发射稳定性。对经过热发射测试后阴极进行XPS深度刻蚀，结果表明对其发射起作用的活性层主要集中在距表面50nm深度范围内。表层SEM、EDS分析表明，阴极经过激活、老炼，Y/Hf原子比低于初始值，且随着Y2O3含量的增加，阴极表层n型半导体Y2O3-x的含量对应的增多，从而改善了阴极表面的电导率，降低了逸出功，提升了热发射性能。 为了满足高功率连续波磁控管对长寿命的要求，利用已获得的实验与理论基础，通过采用比Y2O3电导率更高的La2O3作为掺杂的活性物质，设计并研制了一种新型的W-Re基La2Hf2O7直热式浸渍阴极。XRD成分结构表征，这种阴极发射活性物质主要由La2O3和La2Hf2O7等稀土化合物组成。热电子发射测试结果显示，当温度为1550℃时可提供的电流密度为4.3A/cm2,逸出功为1.7eV。阴极表面的形貌与成分分析结果显示，发射活性物质均匀的分布在W-Re基底表面，且经过激活处理，活性物质分布更加均匀，颗粒呈微米乃至亚微米级，有助于提高热发射能力与发射均匀性。寿命测试结果显示，阴极在1550℃,负载为0.65A/cm2的条件下，已经连续工作了10920h,发射电流没有明显的衰减，表明该阴极有优异的高温稳定特性。
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