CN1581410A - 磁控管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁控管，其中，阴极衬底(10)在诸如甲烷的碳氢化合物气体的气氛中加热到400到600℃，并通过热CVD方法使得气体与阴极衬底(10)的表面反应。从而，电子发射源保持在上和下端帽(12)之间以形成一个阴极部分(13)，在电子发射源中，通过利用阴极衬底(10)表面上存在的镍或铁作为晶核，使得石墨纳米纤维(11)在阴极衬底(10)的表面上以气相生长。

Description

磁控管
技术领域
本发明涉及一种用于诸如微波炉的高频发热装置或诸如雷达的脉冲发生器的场发射型磁控管。
背景技术
在普通的热电子发射型磁控管中，热阴极用作电子源。热阴极通过发射热电子来供给电子。热电子发射的机理是：通过在大约1500K到2700K的温度下加热材料，阴极导体带的自由电子获得热能，从而自由电子克服表面势垒发射到空间中。
图6是示出普通热电子发射型磁控管的一个示例的纵截面图。在该图中，热阴极2设置在多个阳极叶片1的中央部分。热阴极2的形成方式为：包含钍的钨线材3以基本相等的间隔螺旋形成，并且两个端部由端帽部件4固定。电流供给到热阴极2上，以便将阴极的温度升高到2000K，并发射热电子(例如，参见JP-A-2001-23531)。
此外，采用普通场发射现象的设置有阴极的场发射型磁控管使用金属箔作为电极，如所公知的(例如，参见日本专利2740793)。
场发射现象意味着高电场(大约109V/m)供给到材料表面附近的一部分上，以允许材料表面上的势垒减薄，并且由于电子浪涌特性所产生的隧道效应，电子发射到材料之外，而不必克服势垒。在阴极电压处于几KV到几十KV范围内的cm带的磁控管的情况下，阴极表面的场强是107V/m。从而，当电场未加强到大约两位数时，不会产生场发射。于是，为了在磁控管的阴极中实现场发射，用于场发射的电极需要具有这样一种结构，即端部的曲率半径很小，如同针或箔一样，并提高场会聚效果。
图7是示出普通场发射型磁控管的主要部分结构的纵截面图。在图中，阴极部分5设置在多个阳极叶片1的中央部分中。阴极部分5具有这样的结构，即多个由金属薄膜制成的场发射电极6与多个阴极衬底8相结合，其中该金属薄膜通过电腐蚀方法形成为盘形且边缘锋利化，并且氧化膜7施加到该阴极衬底8上，以具有高的次级电子增益，所结合的元件固定在端帽9之间。阴极衬底8的氧化膜7布置成在来自场发射电极6的电子涌出时发射很多次级电子。
在普通热电子发射型磁控管中，由于阴极的温度达到2000K左右，需要在阴极的周围使用高熔点的昂贵材料。
在普通热电子发射型磁控管中，单独需要用于加热阴极的加热器电源以及用于在磁控管的阳极和阴极之间施加电压的高压电源。
不理想的是，普通热电子发射型磁控管具有这样的问题，即需要时间来将电流提供到阴极上并获得所需的工作温度。
此外，不利的是，普通热电子发射型磁控管需要升高阴极的温度，并且阴极不理想地消耗电能。
此外，在普通场发射型磁控管中，将金属箔的边缘锋利化以作为场发射电极的工作非常困难。此外，难于实现稳定的产量。
由于施加到多个场发射电极上的场强各自不同，从各电极发出的电流各自不均匀一致。因此，施加了负载的电极消耗特别严重，从而，电极的功能首先退化。这个现象不理想地导致整个阴极的寿命缩短。
由于多个作为初级电子发射源的场发射电极和用来倍增从电场发出的电子的作为次级电子发射源的电极需要同轴布置，部件的数量不期望地增多，从而它们的组装变得困难，并且成本升高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁控管，该磁控管具有通过简单结构可以延长寿命的阴极部分。
为了解决上述问题，根据本发明的磁控管具有同轴设置的阳极部分和阴极部分。石墨纳米纤维布置在阴极部分的电子发射表面上。
阴极部分设置有次级电子增益高的并布置在电子发射表面一部分中的氧化材料膜。
此外，阴极部分优选地形成为环状立柱形式或形成为圆柱形状。
此外，阴极部分优选地形成为多边形立柱形式或形成为多边形管状。
在根据本发明的另一磁控管中，在阴极衬底的表面上施加粒径在几微米到几十微米的氧化物和作为粉末材料的石墨纳米纤维的混合物，以获得电子发射源。
此外，电子发射源的一部分优选地由灯丝形成。
根据本发明，可以实现如下所述的优点。
石墨纳米纤维或碳纤维用于阴极部分，从而降低来阴极的工作温度。从而，阴极的周边部分可以用不昂贵的金属如不锈钢形成。
石墨纳米纤维或碳纤维用于阴极部分，从而不需要用来加热阴极的电源。从而，可以极大地简化磁控管的电源或磁控管的结构。
石墨纳米纤维或碳纤维用于阴极部分，从而在电压施加到磁控管上之后，磁控管可以执行瞬间操作。
石墨纳米纤维或碳纤维用于阴极部分，从而阴极所消耗的电能变为零。由此可以极大地节约能源。
石墨纳米纤维或碳纤维用于阴极部分，从而通过利用各种CVD方法，可以稳定地实现大规模生产。
石墨纳米纤维或碳纤维用于阴极部分，从而电子可以从膜的整个部分均匀地发射。由此可以延长磁控管的寿命。
附图说明
图1是示出本发明第一实施例中具有阴极部分的磁控管的主要部分纵向截面图，其中石墨纳米纤维形成在阴极表面上；
图2是本发明第二实施例中的具有冷阴极的磁控管的纵向截面图，其中，石墨纳米纤维用于主电子发射源，而氧化物材料膜用于次级电子发射源；
图3是本发明第三实施例中的具有阴极的磁控管的轴向垂直截面图，其中，使得石墨纳米纤维在平板上生长，且多个平板布置成具有多边形立柱形状；
图4是本发明第四实施例中的具有冷阴极的阴极表面的放大示意图，其中，粉末状的石墨纳米纤维和氧化物稀浆施加到阴极表面上；
图5是示出本发明第五实施例中磁控管的主要部分结构的纵向截面图，其中该磁控管具有采用石墨纳米纤维和灯丝的阴极；
图6是示出普通热电子发射型磁控管主要部分的结构的纵向截面图；
图7是示出普通场发射型磁控管主要部分的结构的纵向截面图。
具体实施方式
现在，将参照附图描述根据本发明的磁控管的实施例。
(第一实施例)
图1是示出本发明第一实施例中的磁控管主要部分的结构纵向截面图，该磁控管具有阴极部分，且在阴极表面上形成石墨纳米纤维。
在这个实施例中，阴极衬底10在诸如甲烷的碳氢化合物气体的气氛中被加热到400到600℃，并且通过热CVD方法使得气体与阴极衬底10的表面反应。由此，电子发射源保持在上端帽和下端帽12之间，以形成一个圆柱形阴极部分13，在电子发射源中，利用阴极衬底10表面上存在的镍或铁作为晶核，使得石墨纳米纤维11在阴极衬底10表面上以气相生长。
由于不需要加热阴极的电流路径，与图6所示的两个普通热阴极相比，只需要一个连接端子14。
石墨纳米纤维用作电子发射源，从而，石墨纳米纤维自身的形状可以改善场会聚效应。于是，普通使用的电压(几KV到几十KV)施加到阴极部分的表面上就轻易获得强电场(109V/m)。从而，在阴极表面上的势垒减薄，由于电子的浪涌特性而产生隧道效应，并在不加热的情况下将电子发射到空间中。
(第二实施例)
图2是示出根据本发明第二实施例的冷阴极磁控管主要部分的结构纵向截面图。在第二实施例中，石墨纳米纤维用作主电子发射源，而氧化物材料膜用作次级电子发射源。
根据这个实施例，在磁控管的阴极部分15中，通过热CVD方法，碳酸钡沉积在圆柱形阴极衬底16的外周表面上。然后，在阴极衬底16外周表面上的碳酸钡在真空中被加热到800℃，并且热分解成氧化钡。从而，所形成的具有氧化物材料膜17的次级电子发射源沿着圆柱形阴极衬底10制成的主电子发射源的轴向布置在两端，在该圆柱形阴极衬底10上形成石墨纳米纤维11。在氧化物材料膜中，氧化钡膜有利地具有4.8那么高的次级电子发射比。也可以使用氧化锶或氧化钙。
***型阳极是用于现有磁控管(分成十个，内径为8mm)的阳极。上述阴极部分与阳极同轴地排列而组装成一个磁控管真空管。一对磁铁(图中未示出)同轴设置。在产生0.35T的直流磁场18的同时，-6.0kV的电压施加到阴极部分10上。由于阳极和阴极之间的电压产生的径向电场19导致在阴极部分15的石墨纳米纤维11中产生场发射现象，并且发出电子。当电压首先施加到阴极部分上时，石墨纳米纤维的厚度并不均匀。于是，突出的石墨纳米纤维不正常地放电。在这种情况下，突出部分由于放电而被消除。在若干次不正常放电之后，发射部分分布开。最后，基本上石墨纳米纤维膜的所有表面都均匀发射电子。
电子由于轴向直流磁场18而产生回旋加速运动，并涌现到氧化物材料膜17。由此，发射多个次级电子，在阳极和阴极之间最大提供60mA的电子电流，并且在2.45GHz下最大获得250W的振荡。
(第三实施例)
图3是示出根据本发明第三实施例的磁控管主要部分结构的轴向垂直截面图，其中，使得石墨纳米纤维在板状阴极衬底上生长，并且多个阴极衬底排列成形为一个多边形立柱作为阴极部分。
根据这个实施例，磁控管的阴极部分20形成为使得石墨纳米纤维11在板状阴极衬底21上生长，以将阴极衬底结合到八边形立柱中，来获得阴极部分。由于阴极衬底21是板状的，石墨纳米纤维11优选地在阴极衬底21的表面上易于形成。
(第四实施例)
图4是本发明第四实施例中的冷阴极的阴极表面的放大示意图，该冷阴极是通过将粉末化的石墨纳米纤维和氧化物稀浆施加到阴极表面上而形成。
根据这个实施例，在磁控管的阴极部分中，通过将粒径在几微米到几十微米的碳酸盐与粘合剂和粉末化的石墨纳米纤维相混合所获得的混合物施加到阴极衬底22的表面上，并加热来将碳酸盐变为氧化物23。石墨纳米纤维11用于发射主电子的电子发射源。阴极表面上的氧化物23用作发射次级电子的电子发射源。当只将石墨纳米纤维施加到阴极衬底上时，石墨纳米纤维铺设并固定于阴极衬底上。从而，电场不会聚焦，由此阴极衬底不用于场发射电极。然而，当使用颗粒碳酸盐时，碳酸盐的颗粒支撑石墨纳米纤维，使得石墨纳米纤维可以垂直固定到阴极衬底上。从而，在这种结构中，仅通过将混合物施加到阴极衬底上就可以轻易形成电极膜。
(第五实施例)
图5是示出根据本发明第五实施例的磁控管主要部分结构的纵向截面图，其中提供了利用石墨纳米纤维和灯丝的阴极。
在这个实施例中，磁控管的阴极部分24由灯丝25形成，该灯丝25局部由钍钨制成，并且用于在其间固定灯丝25的一对端帽26形成有石墨纳米纤维11。在这种结构中，磁控管的初始操作由石墨纳米纤维11发出的电子进行。此后，当阴极部分24的温度被电子再次涌入阴极时的能量所升高，从灯丝25发出热电子。从而，在磁控管工作时，在阳极和阴极之间可以获得大量的电流。
本发明可以用于诸如微波炉、雷达、飞机、船舶、航天飞机、火箭等的高频加热装置。

Claims (7)

1.一种磁控管，包括：
阳极部分；
阴极部分，其与所述阳极部分同轴设置并具有电子发射表面；以及
布置在阴极部分的电子发射表面上的石墨纳米纤维。
2.如权利要求1所述的磁控管，其中，阴极部分包括次级电子增益高的并布置在电子发射表面一部分中的氧化物材料膜。
3.如权利要求1或2所述的磁控管，其中，阴极部分形成为环形立柱形式或圆柱形状。
4.如权利要求1或2所述的磁控管，其中，阴极部分形成为多边形立柱形状或多边形管状。
5.如权利要求2所述的磁控管，其中，粒径在几微米到几十微米的氧化物和作为粉末材料的石墨纳米纤维的混合物施加到阴极衬底的表面上，来获得电子发射源。
6.如权利要求2所述的磁控管，其中，电子发射源的一部分用灯丝形成。
7.如权利要求1或2所述的磁控管，其中，使用从阴极引出的一个连接端子。
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