CN112798650B - 一种测试阴极耐电子轰击能力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种测试阴极耐电子轰击能力的装置，包括：待测阴极；电子束阴极，用于提供持续轰击待测阴极的电子束，并在测试过程中接收待测阴极发射的电子所形成的发射电流；阳极，接收电子束阴极发射的电子所形成的阳极电流；测试电源单元，为所述的测试阴极耐电子轰击能力的装置供电；以及电流监测部件，用于监测所述发射电流的强度，根据所述发射电流的强度随时间的变化，从而能够得到所述待测阴极的耐电子轰击能力。

Description

一种测试阴极耐电子轰击能力的装置及方法

技术领域

本公开涉及电真空器件技术领域，尤其涉及一种测试阴极耐电子轰击能力的装置及方法。

背景技术

磁控管是一种广泛应用于雷达发射机、线性加速器、微波加热源等领域中的一种功率微波功率放大器。阴极是磁控管的电子发射源，阴极的电子发射能力是决定磁控管输出功率及寿命的关键因素之一。

在磁控管正常工作过程中，由阴极表面发射出的热电子经过磁场偏转后，将会有一部分电子回轰阴极，从而产生次级电子发射。因此，磁控管阳极电流主要由热发射电流和次级发射电流两部分组成。阴极在器件中的工作环境极其严酷，存在着许多阴极发射降低的机制。首先强电子轰击阴极表面，它会加热阴极，如果不适当控制，会使阴极温度升高，阴极的蒸发物会大量增加。其次，电子轰击阴极表面，使得阴极表面的发射物质分解，从而使得阴极发射电流密度下降。因此，在正交场工作中的阴极，阴极的耐电子轰击能力是评价阴极性能的关键指标之一。

随着磁控管向着高输出功率、连续波工作模式及长寿命方向发展，对阴极的热发射、次级发射、耐电子轰击等都提出了更高的要求。连续波磁控管一般采用纯W丝、ThO₂-W丝阴极及合金阴极，这些阴极具有很好的耐电子轰击能力，但由于纯W丝阴极热发射效率低，ThO₂-W丝阴极中的 ThO₂具有放射性，因此一直在致力于发射效率更高、无放射性的稀土难熔氧化物阴极，稀土难熔氧化物阴极工作于1400℃，工作温度比纯W丝阴极低600℃，比ThO₂-W丝阴极低200℃，具有更高的次级发射系数，但是由于其表面为熔融的氧化物涂层，受电子轰击后的影响比纯金属阴极及合金阴极大，为了更好的将这种阴极应用于大功率连续波磁控管，更深入的研究该阴极的耐电子轰击能力就显得非常迫切和需要。

由此，如何对阴极耐电子轰击能力进行可靠测试是一个亟需解决的课题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种测试阴极耐电子轰击能力的装置及方法，以期解决阴极耐电子轰击能力的在线测试，正交场器件中用阴极在电子轰击***极耐电子轰击能力的在线测试等技术问题中的至少之一。

(二)技术方案

本公开提供一种测试阴极耐电子轰击能力的装置，包括：

待测阴极；

电子束阴极，用于提供持续轰击待测阴极的电子束，并在测试过程中接收待测阴极发射的电子所形成的发射电流；

阳极，接收电子束阴极发射的电子所形成的阳极电流；

测试电源单元，为所述的测试阴极耐电子轰击能力的装置供电；以及

电流监测部件，用于监测所述发射电流的强度，根据所述发射电流的强度随时间的变化，从而能够得到所述待测阴极的耐电子轰击能力。

在本公开实施例中，所述测试电源单元包括：

电子束阴极灯丝电源，用于加热电子束阴极；

待测阴极灯丝电源，用于加热待测阴极；

第一高压电源，用于在所述电子束阴极与所述阳极之间形成所述阳极电流；以及

第二高压电源，用于在所述电子束阴极与待测阴极之间形成所述发射电流。

进一步地，所述测试电源单元中的各个电源互相实现高压隔离。

在本公开实施例中，所述待测阴极为直热式阴极或间热式阴极。

在本公开实施例中，所述电子束阴极为覆膜钡钨阴极。

在本公开实施例中，所述待测阴极为涂覆Y-Gd-Hf-O的钨基直热式阴极。

在本公开实施例中，所述阳极为Mo片阳极。

在本公开实施例中，上述的装置，封装于真空的平板二极管中。

本公开还提供一种根据上述一装置的测试阴极耐电子轰击能力的方法，包括：

操作S1：接通所述电子束阴极灯丝电源，将所述电子束阴极加热至设定温度；

操作S2：接通所述第一高压电源，并调节其至设定电压，使所述电子束阴极与所述阳极之间形成所述阳极电流；

操作S3：接通所述待测阴极灯丝电源，将所述待测阴极加热至设定温度；以及

操作S4：接通所述第二高压电源，并调节其至设定电压，使所述电子束阴极与待测阴极之间形成所述发射电流，并通过所述电流监测部件获得所述发射电流的强度随时间的变化，从而能够得到所述待测阴极的耐电子轰击能力。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开一种测试阴极耐电子轰击能力的装置及方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)实现了真空电子器件中，阴极耐电子轰击能力的在线测试；以及

(2)实现了正交场器件中用阴极在电子轰击条件下，阴极耐电子轰击能力的在线测试。

附图说明

图1为在本公开实施例测试阴极耐电子轰击能力的装置的电路原理示意图；

图2为在本公开实施例测试阴极耐电子轰击能力的方法流程图；以及

图3为在本公开实施例测试阴极耐电子轰击能力的装置的涂覆 Y-Gd-Hf-O的钨基直热式待测阴极发射电流随电子轰击时间的变化曲线图。

具体实施方式

本公开提供了一种测试阴极耐电子轰击能力的装置及方法，所述装置及方法实现了真空电子器件中，阴极耐电子轰击能力的在线测试，实现了正交场器件中用阴极在电子轰击条件下，阴极耐电子轰击能力的在线测试。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种测试阴极耐电子轰击能力的装置及方法，如图1所示，所述装置，包括：待测阴极；电子束阴极，用于提供持续轰击待测阴极的电子束，并在测试过程中接收待测阴极发射的电子所形成的发射电流；阳极，接收电子束阴极发射的电子所形成的阳极电流；测试电源单元，为所述的测试阴极耐电子轰击能力的装置供电；以及电流监测部件，用于监测所述发射电流的强度，根据所述发射电流的强度随时间的变化，从而能够得到所述待测阴极的耐电子轰击能力。

在本公开实施例中，所述测试电源单元包括：

电子束阴极灯丝电源，用于加热电子束阴极；

待测阴极灯丝电源，用于加热待测阴极；

第一高压电源，用于在所述电子束阴极与所述阳极之间形成所述阳极电流；以及

第二高压电源，用于在所述电子束阴极与待测阴极之间形成所述发射电流。

在本公开实施例中，所述测试电源单元中的各个电源互相实现高压隔离。

在本公开实施例中，所述待测阴极为直热式阴极或间热式阴极。

在本公开实施例中，所述电子束阴极为覆膜钡钨阴极。

在本公开实施例中，所述待测阴极为涂覆有Y-Gd-Hf-O(钇钆铪氧化物) 的钨基直热式阴极。

在本公开实施例中，所述阳极为Mo(钼)片阳极。

本公开还提供了一种任一的上述装置的测试阴极耐电子轰击能力的方法，如图2所示，所述方法，包括：

操作S1：接通所述电子束阴极灯丝电源，将所述电子束阴极加热至设定温度；

操作S2：接通所述第一高压电源，并调节其至设定电压，使所述电子束阴极与所述阳极之间形成所述阳极电流；

操作S3：接通所述待测阴极灯丝电源，将所述待测阴极加热至设定温度；以及

操作S4：接通所述第二高压电源，并调节其至设定电压，使所述电子束阴极与待测阴极之间形成所述发射电流，并通过所述电流监测部件获得所述发射电流的强度随时间的变化，从而能够得到所述待测阴极的耐电子轰击能力。

具体地，在本公开实施例中，如图1所示，在平板二极管中，将提供电子束的阴极热子组件、待测阴极)，阳极等依次安装好，排气真空优于 5×10^-6Pa后，依次接通电子束阴极的灯丝电源Uf₁及阳极电源Ua，使得在电子束阴极和阳极之间形成一定电流的电子束Ia，接通待测阴极灯丝电源 Uf₂将待测阴极调至工作温度，将另外一组隔离高压电源Ub负极接待测阴极，正极电子束阴极，使得待测阴极与电子束阴极形成一定的发射电流Ib，记录Ib随时间的变化，能够评估该待测阴极的耐电子轰击能力。

进一步地，所述电子束阴极，为待测阴极提供持续轰击的电子束，并在测试过程中作为阳极接收待测阴极发射的电子，首选覆膜钡钨阴极，为直径8mm的平面阴极；

进一步地，所述待测阴极，采用涂覆Y-Gd-Hf-O(钇钆铪氧化物)钨基直热式阴极，为宽0.25mm，厚0.1mm的W带阴极；

进一步地，所述阳极，为厚0.5mm，直径30mm的Mo片阳极，接收电子束阴极发射的电子；

进一步地，将电子束阴极、待测阴极、Mo阳极、按图1所示的示意图进行装架，并进行抽真空，至真空度优于5×10^-6Pa。

进一步地，加热电子束阴极灯丝电源Uf₁、加热待测阴极灯丝电源Uf₂、电子束阴极与Mo/W阳极之间的第一高压电源Ua及待测阴极与电子束阴极之间的第二高压电源Ub，且四组电源分别高压隔离开。

具体地，将所述四组电源如图1所示的电路原理示意图接线，调节 Uf₁将电子束阴极加热至1000℃，阴极温度采用光学高温计进行测试，调节第一高压电源Ua为200V，此时电子束阴极的阳极电流Ia为72mA，电子束阴极对待测阴极的的轰击功率为14.5W，调节Uf₂使得待测阴极温度为1400℃，调节第二高压电源Ub为80V，此时待测阴极的发射电流Ib 为33mA(1.8A/cm²)，随时间增加，持续检测Ib的变化，测试结果如图2 中a曲线所示。

为了获得明显的试验对比数据，更充分的体现本发明的测试优越性，采用相同的实验方法及测试条件(待测阴极初始发射电流密度及受轰击功率相同)测试涂覆5％wtSc₂O₃掺杂Y-Gd-Hf-O钨基直热式待测阴极的耐电子轰击能力，测试结果如图2中b曲线所示。

图3中a曲线是纯Y-Gd-Hf-O W基直热式待测阴极发射电流随电子轰击时间的变化曲线，曲线b是5％wt Sc₂O₃掺杂Y-Gd-Hf-O W基待测阴极发射电流随电子轰击时间的变化曲线。从图3中可以看出，在14.5W连续电子轰击下，纯Y-Gd-Hf-O W基直热式待测阴极发射电流电流密度急剧下降，到500小时时，下降至初始值的55％。而在相同条件下5％wt Sc₂O₃掺杂Y-Gd-Hf-O W基待测阴极的发射电流密度只下降至初始发射电流的 80％，并且在连续1600小时的测试寿命内，5％wt Sc₂O₃掺杂Y-Gd-Hf-O 待测阴极发射电流密度的下降均小于Y-Gd-Hf-O待测阴极，说明5％wt Sc₂O₃掺杂Y-Gd-Hf-O W基待测阴极具有比纯Y-Gd-Hf-O W基直热式待测阴极更好耐电子轰击能力。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一种测试阴极耐电子轰击能力的装置及方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种测试阴极耐电子轰击能力的装置及方法，该装置及方法能有效评估热阴极耐电子轰击能力提供了一种手段，解决了真空电子器件中用热阴极尤其是正交场器件中用阴极在电子轰击条件下，待测阴极耐电子轰击能力的在线测试问题，实现了热阴极耐电子轰击能力的在线测试。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/ 或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测试阴极耐电子轰击能力的装置，包括：

待测阴极；

电子束阴极，用于提供持续轰击待测阴极的电子束，并在测试过程中接收待测阴极发射的电子所形成的发射电流；

阳极，接收电子束阴极发射的电子所形成的阳极电流；

测试电源单元，为所述的测试阴极耐电子轰击能力的装置供电，包括：第一高压电源，用于在所述电子束阴极与所述阳极之间形成所述阳极电流，所述阳极电流用于对所述电子束阴极提供持续轰击所述待测阴极的电流；第二高压电源，用于在所述电子束阴极与待测阴极之间形成所述发射电流，所述发射电流用于对所述待测阴极提供持续在线测试的电流；以及

电流监测部件，用于监测所述发射电流的强度，根据所述发射电流的强度随时间的变化，从而能够得到所述待测阴极的耐电子轰击能力；

其中，所述测试电源单元还包括：

电子束阴极灯丝电源，用于加热电子束阴极；

待测阴极灯丝电源，用于加热待测阴极；

所述测试电源单元中的各个电源互相实现高压隔离。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述待测阴极为直热式阴极或间热式阴极。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子束阴极为覆膜钡钨阴极。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述待测阴极为涂覆Y-Gd-Hf-O的钨基直热式阴极。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述阳极为Mo片阳极。

6.根据权利要求1至5任一项所述的装置，封装于真空的平板二极管中。

7.一种根据权利要求1至6任一项所述装置的测试阴极耐电子轰击能力的方法，包括：

操作S1：接通所述电子束阴极灯丝电源，将所述电子束阴极加热至设定温度；

操作S2：接通所述第一高压电源，并调节其至设定电压，使所述电子束阴极与所述阳极之间形成所述阳极电流；

操作S3：接通所述待测阴极灯丝电源，将所述待测阴极加热至设定温度；以及

操作S4：接通所述第二高压电源，并调节其至设定电压，使所述电子束阴极与待测阴极之间形成所述发射电流，并通过所述电流监测部件获得所述发射电流的强度随时间的变化，从而能够得到所述待测阴极的耐电子轰击能力。

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