[发明专利]微波源阴极及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微波源阴极及其制造方法。该微波源阴极可以作为高功率微波源器件的电子源，包括大功率速调管、大功率行波管、返波振荡器及相对论器件等，应用方向为粒子加速器、等离子体加热、航天通信等。

背景技术

高功率微波系统可以利用阴极产生强流电子束，电子束在交变电磁场中与波相互作用，把电子束的能量转化为高功率微波。大电流密度阴极是高功率微波器件的关键部件，目前绝大多数高功率微波源都采用简单的非热电离爆炸式发射冷阴极。

所谓爆炸式发射，即指在二极管器件结构中，如果在阴极和阳极(收集极)之间施加高幅度脉冲高压，在电压的脉冲前沿(上升沿)到来时，阴极发射体产生场致发射；场致发射电流随阳极电压的增加而增加，当场发射电流密度增加到一定程度，由于发射电流对阴极材料的不断加热，材料分子向空间蒸发，在空间形成气氛，随即被阴极后续发出且被阳极高压不断加速的高能电子电离，使发射电流进一步增加；发射电流的增加，又使发射体尖端被进一步加热，造成更多的阴极材料的熔化和表面爆炸式分解，更多的材料分子被蒸发到空间，随即被电离，形成包围整个阴极的等离子体壳层。该等离子体壳层以一定的速率向阳极膨胀，在该膨胀过程中，大密度电子流由壳层内发射出来轰击到阳极或收集极上。

爆炸式发射阴极有很多优点，是目前唯一可以提供kA/cm²发射电流密度的阴极，但是它们也有严重的缺点和局限性：1、作为电子源的表面等离子体不断膨胀使阴阳极A-K间隙短路，从而限制了微波脉冲的长度(和能量)；2、脉冲宽度内，束电流和电压的波形常有剧烈的变化，微波功率从而变化剧烈。目前，天鹅绒阴极在一些高功率微波源中得到了应用，但是其较差的真空性能、过早的间隙闭合以及过短的使用寿命，势必被新兴的材料所替代；碳纤维阴极采用碳纤维做为电子发射体，碳纤维阴极的发射电压阈值较低(低于20kV/cm)，与金属和天鹅绒阴极相比较，具有较长的寿命。

目前，即使采用碳纤维的爆炸式场发射阴极也存在放气严重和发射不均匀等缺点，因此在寻找新型材料替代原有的阴极材料前，必须重视目前存在的三大主要问题：1、理想状态下，电子由以低闭合速度运动的单能等离子体中发射出来，但是目前实际应用场合下，等离子体是非常不均匀的，而且运动的速度比较快；2、等离子体的发射均匀性和重复性必须要有保证，基本解决方法就是要发射点尽量均匀，实际应用中束流的不对称将严重影响微波源输出的效率；3、工作过程中，材料放气对内部真空度的影响不能太大，否则气压上升到一定程度后，容易产生电弧，造成极间短路，在实际应用中随着功率、阴极面积的增加，放气量会明显上升。

发明内容

技术问题：本发明针对高功率微波源大工作电流的需求，提出了一种采用碳纤维织物与纳米氧化锌的高功率微波源阴极及其制造方法。本发明还给出一种带有辅助电极的阴极结构，改变阴极材料的表面电场，充分利用二次电子发射增加发射电流密度。本发明中的阴极在材料使用和制造方法上不同于以往的爆炸式电子发射阴极，适用于大多数高功率微波源，并具有优良的发射和电子束流特性。

技术方案：本发明公开了一种微波源阴极及其制造方法。微波源阴极包括不锈钢衬底、碳纤维织物、四针纳米氧化锌浆料丝印层、绝缘真空陶瓷板、辅助电极；第一层为四针纳米氧化锌浆料丝印层、第二层为碳纤维织物、第三层为不锈钢衬底、第四层为绝缘真空陶瓷板，所述第三层形成在第四层上，第二层形成在第三层上，第一层形成在第二层上，辅助电极设置在绝缘真空陶瓷板的一端。

上述微波源阴极中的四针纳米氧化锌浆料丝印层厚度不小于十微米。四针纳米氧化锌浆料丝印层包含四针纳米氧化锌、松油醇、乙基纤维素、碳纳米管、氧化镁粉末，碳纤维织物为聚丙烯腈基活性碳纤维、天鹅绒织物；四针纳米氧化锌与松油醇质量比范围值在1∶100到1∶10之间，碳纳米管与松油醇的质量比范围值在1∶100到1∶50之间，氧化镁粉末与松油醇的质量比范围值在1∶100到1∶50之间，乙基纤维素松油醇的质量比为1∶100。

本发明的制造微波源阴极的方法包括如下步骤：

步骤一：在热水中将四针纳米氧化锌与松油醇混合后，加入乙基纤维素、碳纳米管、氧化镁粉末，充分搅拌均一后得到浆料；

步骤二：将步骤一得到的浆料通过丝网印刷在碳纤维织物上形成四针纳米氧化锌浆料丝印层；

步骤三：在10^-2Pa真空中对步骤二中的碳纤维织物高温烘烤后，对碳纤维织物表面进行亲水处理；