长寿命微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构及其制备方法

摘要

本发明涉及一种微波激射器，具体涉及一种微波激射器用长寿命微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构及其制备方法。本发明的目的是解决现有微柱石墨阴极结构存在凸起发射结构消耗严重，甚至完全失去凸起发射结构，从而失去稳定发射电子束流的作用，并且石墨材料自身的多孔结构经电子束轰击后易释气，导致系统的真空度下降、束波的耦合效率降低以及系统器件绝缘性下降的技术问题。该阴极结构包括微柱阵列石墨阴极，该微柱阵列石墨阴极包括刀口状环形石墨阴极基体，以及阵列式设置于刀口状环形石墨阴极基体刀口处表面的多个石墨微柱，其改进之处在于：所述刀口状环形石墨阴极基体的表面以及各个石墨微柱的顶端和侧壁都均匀粘附有金属涂层，所述金属涂层采用难熔金属。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微波激射器，具体涉及一种微波激射器用长寿命微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构及其制备方法。

背景技术

重复频率相对论返波管是极具发展潜力的高功率微波源。相对论返波管的阴极是其关键部件，主要用于在高功率脉冲的驱动下发射产生强流电子束。随着高功率微波器件朝着更高平均功率方向的发展，要求阴极具有电流发射密度大、寿命长、电子束流上升时间短、等离子膨胀速度低、发射电子束流稳定性好等特性(国防科技大学2019年华叶的学位论文《碳化物改性石墨材料的强流电子束发射和收集特性研究》中提到)。为了满足更高的应用需求，现有技术采用微柱阵列石墨阴极结构，该结构的阴极表面为柱状石墨柱阵列结构，圆柱的直径在数十微米到数百微米量级(王刚、苏建仓、刘文元等在2018年南京“2018年全国高电压与放电等离子体学术会议”的论文集中发表的“微柱石墨阴极气体开关击穿特性研究”中提到)。在高功率脉冲的驱动下，微柱结构有效提升了阴极发射电子束流稳定性、缩短了电子束流的上升时间。然而，由于微柱石墨阴极结构中构造的凸起点(即微柱结构的顶端)为电子束发射点，其高发射束流密度使得发射点处的电流密度非常高，进而使得微柱石墨阴极结构中凸起发射点消耗非常严重，甚至因发射电子过程中产生的微爆炸冲击而脱落，最终导致微柱石墨阴极表面完全失去凸起发射结构，失去稳定发射电子束流的作用。此外，石墨材料自身的多孔结构使其经电子束轰击后易释气，导致系统的真空度下降、束波的耦合效率降低以及系统器件的绝缘性下降(唐运生、陈昌华和刘文元等于2020年在期刊《现代应用物理》的11卷2期020801发表的文章“沉积温度对TiC涂层微观形貌及导电性能的影响”中提到)。

发明内容

本发明的目的是解决现有微柱石墨阴极结构存在凸起发射结构消耗严重，甚至完全失去凸起发射结构，从而失去稳定发射电子束流的作用，并且石墨材料自身的多孔结构经电子束轰击后易释气，导致系统的真空度下降、束波的耦合效率降低以及系统器件绝缘性下降的技术问题，提供一种长寿命微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

本发明还提供一种长寿命微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构，包括微柱阵列石墨阴极，该微柱阵列石墨阴极包括刀口状环形石墨阴极基体，以及阵列式设置于刀口状环形石墨阴极基体刀口处表面的多个石墨微柱；所述刀口状是指环形的厚度非常窄；其特殊之处在于：

所述刀口状环形石墨阴极基体的表面以及各个石墨微柱的顶端和侧壁都均匀粘附有金属涂层，所述金属涂层采用难熔金属。

进一步地，所述金属涂层的材料为Mo、W、Hf、Ta、Zr、Ti、Cr、V中的一种或多种。

进一步地，所述金属涂层的厚度在0.01～50μm范围内。

进一步地，所述金属涂层的厚度在1～10μm范围内。

进一步地，所述石墨微柱的直径为5μm～300μm，高度与直径的比为1：1～20：1，相邻石墨微柱轴线的距离为20μm～500μm。

进一步地，所述微柱阵列石墨阴极上的石墨微柱阵列由紫外激光刻蚀刀口状环形石墨阴极基体刀口处表面得到。

本发明还提供一种长寿命微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构制备方法，其特殊之处在于，如图3所示，包括以下步骤：

1)将石墨加工成如图1所示的刀口状环形石墨阴极基体，将其清洗并烘干；

2)通过紫外激光刻蚀方式，在烘干后的刀口状环形石墨阴极基体刀口处a表面构筑石墨微柱阵列，得到如图2所示的微柱阵列石墨阴极，将其清洗并烘干；

3)将烘干后的微柱阵列石墨阴极极置于化学气相沉积炉中，以恒定升温速率将炉膛温度升至300～1200℃；

4)向化学气相沉积炉的炉膛内通入氢气作为还原性气体，将炉膛压力保持在0.1～20kPa；

5)将难熔金属的金属化合物加热至完全气化，并以恒定流速通入炉膛，进行还原反应0.5～10h；

6)停止通入氢气，自然降温后，得到长寿命微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构。

进一步地，步骤3)中，所述升温速率为5～10℃/min；

将炉膛温度升至500～800℃。

进一步地，步骤5)中，所述金属化合物为金属氯化物；

所述金属化合物中的金属为Mo、W、Hf、Ta、Zr、Ti、Cr、V中的一种或多种。

进一步地，步骤5)中，所述还原反应的时长为2～5h。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

1、本发明提供的长寿命微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构及其制备方法，包括刀口状环形石墨阴极基体，阵列式设置于刀口状环形石墨阴极基体刀口处表面的多个石墨微柱，以及在刀口状环形石墨阴极基体的表面与各个石墨微柱的顶端和侧壁都均匀粘附的金属涂层。在高功率脉冲的驱动下，由于电子发射位置均在微柱的顶端，且发射过程对微柱表面形貌影响不大，该复合阴极结构的石墨微柱阵列能够稳定、均匀地发射电子，不仅解决了常规石墨阴极电子发射位置随机变化、波动性大的问题，而且解决了微柱在高发射束流密度下寿命较短的难题。此外，该复合阴极结构可有效降低阴极表面等离子体的产生，提升高功率微波系统长时间稳定工作的能力。

2、本发明提供的长寿命微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构及其制备方法，采用了激光刻蚀结合化学气相沉积法的制备途径。首先将石墨加工为所需形状的石墨阴极，而后利用紫外激光刻蚀方法在阴极表面刻蚀出一定规格的微柱阵列，再将微柱阵列石墨阴极置于化学气相沉积炉中，在一定条件下制得金属涂层，最终得到微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构。本发明制备的微柱阵列石墨和金属复合阴极结构，在高功率脉冲的驱动下，每个微柱都能够有效发射电子，束流稳定性好、波动性小、均一性好，束流上升时间短，且兼具金属的高韧性、高强度、高熔点特点，在电子发射过程中，能够有效抑制石墨微柱崩裂、脱落以及石墨材料释气，能够保证阴极在高电压发射过程中长时稳定运行。

3、本发明提供的长寿命微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构及其制备方法，金属涂层是通过化学气相沉积法制得，与石墨微柱结合性能好，在使用过程中不易脱落。

4、本发明提供的长寿命微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构及其制备方法，得益于化学气相沉积法的沉积特点，金属在微柱顶部周围的沉积速率低于微柱底部周围的沉积速率，使得石墨和金属复合微柱的长径比适中，能够有效避免微柱因较大长径比(高度与直径的比值)而断裂，保证了发射束流的均一性。

5、本发明提供的长寿命微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构及其制备方法，采用石墨和难熔金属，难熔金属的等离子体膨胀速度低，质量损失小。

6、本发明提供的长寿命微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构及其制备方法，金属涂层的厚度一般在0.01～50μm范围内，优选地可控制在涂层厚度为1～10μm范围内，可使得寿命较长。

附图说明

图1为本发明中刀口状环形石墨阴极基体的剖面图，a为刀口处；

图2为本发明中微柱阵列石墨阴极的示意图，图中仅示出了刀口处微柱阵列；

图3为本发明长寿命微柱阵列石墨和金属的复合阴极结构制备方法流程图；

图4为本发明实施例1所得微柱阵列石墨阴极的扫描电镜图；

图5为本发明实施例1所得长寿命微柱阵列石墨和M

图6为本发明实施例1所得长寿命微柱阵列石墨和M

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1

1)将石墨加工成刀口状环形石墨阴极基体，刀口状环形石墨阴极基体的外径(即外环直径)为50mm，壁厚(即外环半径减去内环半径)为1mm；将其在乙醇中超声清洗并置于烘箱中干燥备用；

2)通过紫外激光刻蚀方式，在烘干后的刀口状环形石墨阴极基体刀口处表面构筑石墨微柱阵列，石墨微柱的直径为20μm，高度与直径的比为6：1，相邻石墨微柱轴线的距离为60μm，得到微柱阵列石墨阴极，将其在乙醇中低功率超声清洗，除去石墨微柱周围的碎屑，并置于烘箱中干燥备用；

3)将烘干后的微柱阵列石墨阴极极置于化学气相沉积炉中，以10℃/min的升温速率将炉膛温度升至600℃；

4)向化学气相沉积炉的炉膛内，以100mL/min的流速，通入氢气作为还原性气体，将炉膛压力保持在5kPa，；

5)将MoCl

6)停止通入氢气，自然降温后，得到长寿命微柱阵列石墨和Mo的复合阴极结构。

图4为微柱阵列石墨阴极的扫描电镜图，图5为长寿命微柱阵列石墨和Mo复合阴极结构的扫描电镜图，图6为长寿命微柱阵列石墨和Mo复合阴极结构的表面分析EDS图，测试表明：Mo涂层均匀粘附在刀口状环形石墨阴极基体的表面以及各个石墨微柱的顶端和侧壁上。

实施例2

1)将石墨加工成刀口状环形石墨阴极基体，刀口状环形石墨阴极基体的外径(即外环直径)为100mm，壁厚(即外环半径减去内环半径)为1.5mm；将其在乙醇中超声清洗并置于烘箱中干燥备用；

2)通过紫外激光刻蚀方式，在烘干后的刀口状环形石墨阴极基体刀口处表面构筑石墨微柱阵列，石墨微柱的直径为40μm，高度与直径的比为5：1，相邻石墨微柱轴线的距离为100μm，得到微柱阵列石墨阴极，将其在乙醇中低功率超声清洗，除去石墨微柱周围的碎屑，并置于烘箱中干燥备用；

3)将烘干后的微柱阵列石墨阴极极置于化学气相沉积炉中，以10℃/min的升温速率将炉膛温度升至700℃；

4)向化学气相沉积炉的炉膛内，以150mL/min的流速，通入氢气作为还原性气体，将炉膛压力保持在1kPa；

5)将WCl

6)停止通入氢气，自然降温后，得到长寿命微柱阵列石墨和W的复合阴极结构。

实施例3

1)将石墨加工成刀口状环形石墨阴极基体，刀口状环形石墨阴极基体的外径(即外环直径)为50mm，壁厚(即外环半径减去内环半径)为1mm；将其在乙醇中超声清洗并置于烘箱中干燥备用；

2)通过紫外激光刻蚀方式，在烘干后的刀口状环形石墨阴极基体刀口处表面构筑石墨微柱阵列，石墨微柱的直径为5μm，高度与直径的比为20：1，相邻石墨微柱轴线的距离为20μm，得到微柱阵列石墨阴极，将其在乙醇中低功率超声清洗，除去石墨微柱周围的碎屑，并置于烘箱中干燥备用；

3)将烘干后的微柱阵列石墨阴极极置于化学气相沉积炉中，以5℃/min的升温速率将炉膛温度升至800℃；

4)向化学气相沉积炉的炉膛内，以100mL/min的流速，通入氢气作为还原性气体，将炉膛压力保持在0.1kPa，；

5)将TiCl

6)停止通入氢气，自然降温后，得到长寿命微柱阵列石墨和Ti的复合阴极结构。

实施例4

1)将石墨加工成刀口状环形石墨阴极基体，刀口状环形石墨阴极基体的外径(即外环直径)为50mm，壁厚(即外环半径减去内环半径)为1mm；将其在乙醇中超声清洗并置于烘箱中干燥备用；

2)通过紫外激光刻蚀方式，在烘干后的刀口状环形石墨阴极基体刀口处表面构筑石墨微柱阵列，石墨微柱的直径为300μm，高度与直径的比为1：1，相邻石墨微柱轴线的距离为500μm，得到微柱阵列石墨阴极，将其在乙醇中低功率超声清洗，除去石墨微柱周围的碎屑，并置于烘箱中干燥备用；

3)将烘干后的微柱阵列石墨阴极极置于化学气相沉积炉中，以8℃/min的升温速率将炉膛温度升至1200℃；

4)向化学气相沉积炉的炉膛内，以100mL/min的流速，通入氢气作为还原性气体，将炉膛压力保持在20kPa，；

5)将ZrCl

6)停止通入氢气，自然降温后，得到长寿命微柱阵列石墨和Zr的复合阴极结构。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。