【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及電子管，具體為一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件及其制備方法。
技術(shù)介紹
1、空間行波管是通信導(dǎo)航、數(shù)傳等衛(wèi)星系統(tǒng)中不可或缺的核心器件，具有微波功率放大的作用。陰極組件是空間行波管的核心部件，作為電子源發(fā)射電子并與信號(hào)相互作用，不但要保障空間、空地通信的電子信號(hào)順暢，還要保障行波管在軌壽命和高可靠性。陰極發(fā)射面的膜層直接影響發(fā)射電子能力與壽命，非發(fā)射面的電子發(fā)射活性物質(zhì)直接影響行波管絕緣可靠性。目前，空間行波管主要采用m型陰極(浸漬擴(kuò)散陰極覆一層貴金屬膜)，陰極發(fā)射面覆一層貴金屬膜層，側(cè)面非發(fā)射面不做物理屏蔽，存在發(fā)射膜層合金化與側(cè)面活性物質(zhì)蒸發(fā)現(xiàn)象，影響行波管絕緣可靠性。此外，隨著頻段的提高，空間行波管的尺寸較小，其電子光學(xué)極易受陰極表面發(fā)射性能以及陰極組件與附件部件距離的影響，且無(wú)有效空間(如陰-聚距離＜0.2mm)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)屏蔽陰極側(cè)面活性物質(zhì)的蒸發(fā)。
2、傳統(tǒng)的行波管陰極通常采用單層金屬或合金材料，如鎢或鎢基復(fù)合材料，這些材料雖然具有較好的電子發(fā)射性能，但在面對(duì)極端空間環(huán)境(如高溫、高輻射和真空)時(shí)，存在一些顯著的局限性：
3、高溫蒸發(fā)率高：在高溫工作環(huán)境下，傳統(tǒng)材料易發(fā)生蒸發(fā)，導(dǎo)致陰極材料逐漸消耗，影響陰極的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和壽命。
4、電子發(fā)射效率低下：隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，陰極表面可能會(huì)因材料退化而導(dǎo)致電子發(fā)射效率下降。
5、環(huán)境適應(yīng)性差：傳統(tǒng)陰極材料對(duì)環(huán)境條件變化敏感，特別是在極端的真空和輻射環(huán)境下，容易發(fā)生性能波動(dòng)。
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)提供了一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件及其制備方法，解決了傳統(tǒng)的空間行波管在高溫工作環(huán)境下，傳統(tǒng)材料易發(fā)生蒸發(fā)，導(dǎo)致陰極材料逐漸消耗，影響陰極的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和壽命的問題。
2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本專利技術(shù)通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，包括：
3、位于基體上的鎢基體；
4、覆蓋在鎢基體上的第一層錸膜和鉬膜；
5、沉積在錸膜上的碳納米管復(fù)合材料層；
6、沉積在碳納米管層上的第二層鋨鎢膜；
7、沉積在鋨鎢膜上的第三層鋨釕膜；
8、其中，每層材料的厚度分別為：錸膜的厚度控制在0.5-2μm之間，碳納米管層的厚度為10-50nm，鋨鎢膜的厚度為50-200nm，鋨釕膜的厚度為20-100nm。
9、優(yōu)選的，所述的碳納米管復(fù)合材料層是通過化學(xué)氣相沉積在錸膜上生長(zhǎng)得到的，化學(xué)氣相沉積過程中的溫度為600-800℃，甲烷作為碳源，氫氣作為載氣，在化學(xué)氣相沉積過程中，控制甲烷的流量為0.1-0.5sccm，氫氣的流量為5-20sccm，確保碳納米管的生長(zhǎng)速率為每小時(shí)1-5nm。
10、優(yōu)選的，所述第一層錸膜和鉬膜是通過磁控濺射技術(shù)在鎢基體上沉積得到的，濺射參數(shù)為：基板溫度200℃，濺射功率120w，氣壓2pa，錸膜厚度控制公式：
11、
12、其中d是錸的自擴(kuò)散系數(shù)，t是濺射時(shí)間，f是濺射流速，ρ是錸的密度。
13、優(yōu)選的，所述的鋨鎢薄膜是通過脈沖直流濺射技術(shù)在碳納米管復(fù)合材料層上沉積得到的，脈沖參數(shù)為100ns一次，脈沖頻率為1khz，薄膜厚度和結(jié)合力控制公式：
14、
15、其中k是界面強(qiáng)度調(diào)節(jié)系數(shù)，γ是材料的表面張力，l是材料接觸長(zhǎng)度，d是薄膜厚度。
16、優(yōu)選的，所述空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其中所述的鋨釕薄膜是通過脈沖直流濺射技術(shù)在鋨鎢薄膜上沉積得到的，脈沖參數(shù)為100ns一次，脈沖頻率為1khz。
17、優(yōu)選的，所述陰極組件通過長(zhǎng)期高溫高電壓測(cè)試，其電子發(fā)射性能經(jīng)過1000小時(shí)測(cè)試后，性能衰減不超過初始性能的20％。
18、優(yōu)選的，所述陰極組件在模擬的空間環(huán)境下測(cè)試，其穩(wěn)定性能滿足在真空條件下連續(xù)工作超過2000小時(shí)的要求。
19、優(yōu)選的，所述碳納米管復(fù)合材料層在化學(xué)氣相沉積過程中，其生長(zhǎng)速率為每小時(shí)1-5nm，保證了復(fù)合層的均勻性和穩(wěn)定性，所述陰極組件的碳納米管復(fù)合材料層，其表面粗糙度不超過10nm，確保電子發(fā)射的均勻性和一致性。
20、一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件的制備方法，包括以下步驟：
21、步驟一、在鎢基體表面預(yù)處理，確保表面清潔和平整；
22、步驟二、利用物理氣相沉積技術(shù)，在預(yù)處理后的鎢基體上沉積具有良好結(jié)合性的錸膜；
23、步驟三、在錸膜表面利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長(zhǎng)碳納米管復(fù)合材料層，控制生長(zhǎng)條件以實(shí)現(xiàn)均勻性和穩(wěn)定性；
24、步驟四、通過脈沖直流濺射。
25、優(yōu)選的，所述制備方法進(jìn)一步包括以下詳細(xì)步驟：
26、步驟一：在鎢基體表面進(jìn)行預(yù)處理，以確保表面的清潔和平整，具體包括：
27、使用機(jī)械拋光去除鎢基體表面的氧化層和雜質(zhì)；
28、鎢基體經(jīng)過超聲波清洗機(jī)中的乙醇和去離子水混合溶液清洗，確保無(wú)可見雜質(zhì)和有機(jī)物殘留；
29、在高純氬氣保護(hù)的環(huán)境中對(duì)鎢基體進(jìn)行熱退火處理，溫度設(shè)定為950℃，持續(xù)時(shí)間2小時(shí)，以釋放內(nèi)部應(yīng)力并提高晶體完整性；
30、步驟二：利用物理氣相沉積技術(shù)在預(yù)處理后的鎢基體上沉積錸膜，其中：
31、濺射參數(shù)包括基板溫度200℃，濺射功率120w，氣壓2pa；
32、錸膜的厚度通過控制濺射時(shí)間和流速精確調(diào)節(jié)，厚度控制在0.5-2μm之間；
33、步驟三：在錸膜表面利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長(zhǎng)碳納米管復(fù)合材料層，具體包括：
34、設(shè)置化學(xué)氣相沉積爐的溫度為750℃；
35、甲烷作為碳源，流量控制在0.2sccm，氫氣作為載氣和活化氣體，流量為10sccm；
36、確保碳納米管的生長(zhǎng)速率為每小時(shí)1-5nm，整個(gè)反應(yīng)在低壓條件下進(jìn)行，總壓力維持在500mtorr；
37、步驟四：通過脈沖直流濺射技術(shù)依次沉積鋨鎢膜和鋨釕膜，其中：
38、鋨鎢膜和鋨釕膜的沉積參數(shù)包括脈沖寬度100ns，脈沖頻率1khz；
39、鋨鎢膜的厚度為50-200nm，鋨釕膜的厚度為20-100nm；
40、確保薄膜層次清晰且具有良好的結(jié)晶性，通過控制濺射條件和材料特性來(lái)優(yōu)化薄膜的結(jié)合力和厚度。
41、本專利技術(shù)提供了一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件及其制備方法。具備以下有益效果：
42、1、本專利技術(shù)通過采用高結(jié)晶度的鋨鎢與鋨釕薄膜以及優(yōu)化的碳納米管復(fù)合材料層，顯著提高了陰極組件的電子發(fā)射效率，鋨鎢和鋨釕薄膜的引入降低了陰極的工作函數(shù)，優(yōu)化了電子逸出表面的能態(tài)分布，從而減少了電子發(fā)射所需的能量，增加了在相同工作條件下的電子輸出量，此外，碳納米管的高導(dǎo)電性為電子提供了一個(gè)低阻抗的傳輸路徑，進(jìn)一步增強(qiáng)了電子的集體發(fā)射效果，在傳統(tǒng)m型陰極發(fā)射膜層基礎(chǔ)上，采用錸膜-鋨本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其特征在于，所述碳納米管復(fù)合材料層是通過化學(xué)氣相沉積在錸膜上生長(zhǎng)得到的，化學(xué)氣相沉積過程中的溫度為600-800℃，甲烷作為碳源，氫氣作為載氣，在化學(xué)氣相沉積過程中，控制甲烷的流量為0.1-0.5sccm，氫氣的流量為5-20sccm，確保碳納米管的生長(zhǎng)速率為每小時(shí)1-5nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其特征在于，所述第一層錸膜(1)和鉬膜(4)是通過磁控濺射技術(shù)在鎢基體上沉積得到的，濺射參數(shù)為：基板溫度200℃，濺射功率120W，氣壓2Pa，錸膜(1)厚度控制公式：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其特征在于，所述鋨鎢膜(2)是通過脈沖直流濺射技術(shù)在碳納米管復(fù)合材料層上沉積得到的，脈沖參數(shù)為100ns一次，脈沖頻率為1kHz，薄膜厚度和結(jié)合力控制公式：
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其特征在于，所述空
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其特征在于，所述陰極組件通過長(zhǎng)期高溫高電壓測(cè)試，其電子發(fā)射性能經(jīng)過1000小時(shí)測(cè)試后，性能衰減不超過初始性能的20％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其特征在于，所述陰極組件在模擬的空間環(huán)境下測(cè)試，其穩(wěn)定性能滿足在真空條件下連續(xù)工作超過2000小時(shí)的要求。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其特征在于，所述碳納米管復(fù)合材料層在化學(xué)氣相沉積過程中，其生長(zhǎng)速率為每小時(shí)1-5nm，保證了復(fù)合層的均勻性和穩(wěn)定性，所述陰極組件的碳納米管復(fù)合材料層，其表面粗糙度不超過10nm，確保電子發(fā)射的均勻性和一致性。
9.一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件的制備方法，依據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其特征在于，包括以下步驟：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件的制備方法，其特征在于，所述制備方法進(jìn)一步包括以下詳細(xì)步驟：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其特征在于，所述碳納米管復(fù)合材料層是通過化學(xué)氣相沉積在錸膜上生長(zhǎng)得到的，化學(xué)氣相沉積過程中的溫度為600-800℃，甲烷作為碳源，氫氣作為載氣，在化學(xué)氣相沉積過程中，控制甲烷的流量為0.1-0.5sccm，氫氣的流量為5-20sccm，確保碳納米管的生長(zhǎng)速率為每小時(shí)1-5nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其特征在于，所述第一層錸膜(1)和鉬膜(4)是通過磁控濺射技術(shù)在鎢基體上沉積得到的，濺射參數(shù)為：基板溫度200℃，濺射功率120w，氣壓2pa，錸膜(1)厚度控制公式：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其特征在于，所述鋨鎢膜(2)是通過脈沖直流濺射技術(shù)在碳納米管復(fù)合材料層上沉積得到的，脈沖參數(shù)為100ns一次，脈沖頻率為1khz，薄膜厚度和結(jié)合力控制公式：
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其特征在于，所述空間行波管用低蒸發(fā)、三層膜陰極組件，其中所述鋨釕膜(3)是通過脈沖...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：范亞松，時(shí)志兵，趙請(qǐng)，馬靜，張瑋倬，酈瓊，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：南京三樂集團(tuán)有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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