阴极初始温度的影响因素分析

阴极初始温度的影响因素分析

随着现代军事技术的快速发展，对军用大国真空微波设备的性能提出了更高的要求。作为微波设备的核心部分，该装置的性能直接影响微波装置的可靠性和长度，因此，电极的研究仍然是一个尚未使用的重要问题。目前，它是世界上最广泛使用的主要热电子发射电极[1.4]，包括浸泡电极、覆膜电极、锆盐电极等。这种电极具有较大的发射电流密度、长和电子主导轰炸等特点。阴极的发射电流密度是阴极的一个重要指标.在一定的温度T下,阴极饱和发射电流密度J是由理查森方程确定,即对(1)式进行微分运算可得对于大功率连续微波器件常用的扩散式钡钨阴极,它的逸出功φ约为2.0eV.当正常工作温度为T=1300K时,由(2)式得从(3)式可看出当阴极温度改变0.1%时(温度改变1.3℃);阴极发射电流密度改变1.98%这说明阴极温度的变化对发射电流产生非常大的影响,因此准确地确定阴极在微波器件工作状态时的温度是非常有意义的.通常阴极工作温度主要是在静态条件下(不支取电流)确定的它不能准确的反映阴极在微波器件内工作状态下(支取电流)的真实温度.由于阴极中的热电子具有动能,因此从阴极发射出去的热电子都带走一部分能量,从而使阴极损失一部分加热功率,造成阴极温度下降.本文针对此问题将研究阴极支取发射电流对阴极温度的影响.1w丝和w-re丝组合焊接的特点实验在超高真空室内进行,设备由三维样品架(可同时放入3个以上样品)、观察窗、400L/s溅射离子泵、烘烤系统,飞行时间质谱仪和水冷阳极等.采用水冷阳极是为了减小阳极对阴极温度的影响.真空系统本底压强高于5×10-8Pa.实验过程中真空度在10-7Pa范围.阴极温度采用数字红外测温仪测试,它可自动测试支取电流时阴极温度的变化.阴极采用热子组件钡钨阴极,阴极直径为2.8mm,其结构如图1所示.热子组件就是将加热体(一般是W丝或W-Re丝)埋在绝缘介质中(一般为Al2O3),这样一方面避免了振动等造成的热子短路,提高了热子的可靠性,另一方面又提高了热子的加热效率因此,现在被越来越广泛的采用.为了防止多孔钨基底中的发射物质向热子组件中渗透而造成短路,在阴极基底与热子组件之间加一隔板,这样一方面避免了热子的短路,另一方面又阻止了在制备热子过程中对阴极基底造成污染而影响阴极的发射水平.但这样将会降低阴极的热效率,因此,必须使钨海绵基底与阴极筒之间接触良好.为了提高阴极的热效率,我们用一种金属焊料将阴极饼与支撑筒焊接在一起,这样一方面避免了阴极饼与阴极筒之间存在间隙,造成阴极热效率下降.另一方面又使阴极基底与阴极筒之间的结合力大大提高,从而增加阴极的耐冲击性能,但这种焊料必须同时具备以下几个特点:第一,必须与阴极基底和支撑筒都浸润,这样才能保证焊接牢固;第二,熔点必须低于阴极基底中发射物质的溶点温度,否则在焊接过程中造成发射物质的蒸发;第三,熔点温度必须远高于阴极正常工作温度(阴极工作温度一般低于1100℃),否则在阴极工作过程中造成焊料的蒸发,进而造成阴极基底与支撑筒之间的结合力下降,以及影响微波器件的性能.阴极在不支取电流时,测得加热功率与温度的关系如图2所示.从图2可拟合阴极加热功率P与温度T的关系为其中K=0.0125W/K,A=-12.16W.实验中热子电阻R与阴极温度的关系如图3所示.从图3可拟合出电阻R与温度的关系为其中α=1.81×10-4K-1.2结果与讨论2.1不同电流下a电流对等效热点的影响阴极的加热电源可采用恒压模式和恒流模式两种.图4给出了两种模式下阴极发射电流对阴极温度的影响曲线.从图4可看出随着发射电流的增加,两种加热模式下的阴极的温度都有不同程度的下降阴极在支取180mA电流,即发射电流密度为2.92A/cm2时,阴极采用在恒压源和恒流源加热时其温度分别下降了29℃和35℃.阴极在恒压源加热状态时,阴极失去热电子所以阴极温度将下降,这时热子的电阻将下降,因此阴极热子的加热功率将有所增加,这样就弥补了阴极由于支取电流而损失的一部分功率.而采用恒流源加热,阴极的加热功率将随着阴极温度的降低而减小,因此,在支取一定的电流时,阴极温度下降值在恒流加热时比在恒压加热时要大一些.由(3)式估算可知,阴极在1306K支取2.92A/cm2发射电流密度时,阴极的饱和发射电流密度将要下降50%左右.因此它将严重影响微波器件的工作状态和寿命.2.2发射电流对阴极温度的影响阴极被加热到温度T,单位时间内从内部打在单位面积阴极面上,能量为Ex到Ex+dEx的电子数服从麦克斯韦分布,即设阴极表面垂直于X轴,能够超过表面势垒Ea的电子在阴极内沿X轴方向的平均能量为根据分子运动论,电子在y和z轴方向上的平均能量应各为,因此阳极中一个电子具有的平均总能量为Ea+2kT.阴极在发射一个热电子补充一个冷电子后,阴极损失的能量应为Ea+2kT-EF=φ+2kT,其中EF和φ分别为阴极的费米能级和逸出功.当阴极支取电流为I时,则单位时间内从阴极表面发射的电子数为.因而单位时间内阴极损失的能量,即阴极支取电流为I时,带走的功率为阴极可采用恒流源和恒压源两种模式加热.当阴极采用恒流源加热支取电流I时,阴极功率表示为其中IF2R0为阴极支取电流为0时的加热功率P0,即由(9)和(10)式运算得到温度表示为(12)式中第3项比第2项小两个量级可略去,得当阴极采用恒压源加热,阴极支取电流I时,阴极功率P为由于｜α(T-T0)｜=-1.81×10-2《(按T-T0=100K计算),[1+α(T-T0)]-1可作泰勒级数展开并略去两次以上项,经与(13)式相似的运算后,得把有关数值代入(13)和(15)式,其中阴极的表面逸出功φ取2.0eV.则上面两式变为从以上两式可看出,阴极温度随着支取发射电流的增加而线性降低.当阴极支取发射电流密度为2.92A/cm2时,即发射电流为180mA时,在恒压和恒流模式加热下阴极温度分别下降了30.1℃和34.2℃,这与图4的实验结果非常相符.当阴极支取发射电流密度为10A/cm2时即发射电流为615mA时,在恒压和恒流模式加热下阴极温度分别下降了103℃和117℃,这将使阴极很难正常工作.从(13)和(15)式可知要想减小阴极支取电流对阴极温度的影响,最好采用恒压源给阴极加热,并尽可能采用电阻温度系数大的热丝做热子.图5给出了α=1.65×10-4K-1和α=1.29×10-3K-1的阴极在两种不同加热模式下的发射电流对阴极温度的影响.从图5可看出由于钪酸盐的α值很小,以至于αP0可忽略,所以恒压,恒流加热模式对阴极降温的影响几乎相同.阴极支取180mA发射电流时,阴极温度分别下降为37℃和36℃,而覆膜阴极的α值几乎比钪酸盐的α值大一个量级,因此当阴极发射180mA时,阴极采用恒流源加热时,阴极温度下降了37℃时,采用恒压源加热时,阴极温度只下降了15℃.3热电子发射理论本文研究了热阴极支取发射电流对阴极温度的影响,发现阴极在支取的发射电流密度为2.92A/cm2时,阴极温度在恒压和恒流模式加热下分别下降了29℃和35℃.用热电子发射理论对实验结果进行了分析,推导出阴极温度随支取发射电流变化的关系公式.公式表