[发明专利]一种高电离率氧化物阴极等离子体源及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高电离率氧化物阴极等离子体源及其制备方法。

背景技术

美国UCLA大学的LAPD装置最早完成大面积氧化物阴极设计，氧化物阴极发射材料是碱土金属氧化物，但它们在大气中无法稳定存在，必须通过碱土金属碳酸盐或者氢氧化物在高温下分解产生。一般情况下我们使用碱土金属碳酸盐，其在大气中化学性质稳定，在真空环境下，高温分解产生氧化物。常见的碱土金属氧化物有CaO、SrO及BaO，氧化钡的逸出功最低，是很好的发射材料。BaO由高温下BaCO₃分解产生，其反应式如下：

BaCO₃→BaO+CO₂

BaO高温下蒸发量太大，且它在热分解过程中会与碳酸钡结合，生成(BaO·BaCO₃)，这种盐熔点低，会在分解过程中熔化生成坚密结构，不利于阴极激活与发射。在碳酸盐中加入适量SrCO₃，SrO比BaO更早生成且难熔，这样可以抑制涂层的烧结。CaCO₃可以使涂层更加坚固，更耐离子轰击，同时与阴极粘结也更加牢固。这对于作为等离子体源来说非常重要，因为离子轰击溅射会使涂层变薄，发射能力下降和不均匀。也有很多人认为，SrO、CaO可以吸附更多的自由钡，并且能抑制自由钡的蒸发，形成更多的发射中心。碳酸盐的混合物的反应式为：

Ba(Sr，Ca)CO₃→Ba(Sr，Ca)O+CO₂

这种氧化物阴极相对于热灯丝阴极，其发射效率已经有了显著的提升，但是，在大电流发射条件(正常工作放电电流为0-10A/cm²)下容易打火造成阴极涂层受损，打火的存在限制了其发射效率。

氧化物阴极之所以打火是因为大电流流过涂层造成局部过热，大量的自由钡蒸发汽化，在阴极表面堆积电离，然后大量离子轰击涂层将涂层除去。如果要抑制打火要么降低发射电流，要么增加涂层的导电性。涂层的电阻分为两部分，一个是粉末涂层电阻，另一部分是在基金属与涂层之间会形成一个中间层，这部分也具有相当大的电阻。中间层的形成是因为基金属内部有大量的还原性物质，还原性物质扩散至基金属表面与氧化钡发生还原反应，而还原能力最强的就是单质硅，发生反应如下：

Si+2BaO→2Ba+SiO₂

2BaO+SiO₂→Ba₂SiO₄

反应生成的SiO₂(二氧化硅)和Ba₂SiO₄(BaO·BaSiO₃)是中间层的主要成分，而它们不导电，在基金属表面分布不均匀，某个局域中间层较厚，电阻就会较大，这样可能出现两种结果：一是大电流流过中间层造成打火，一是中间层长时间形成致密结构抑制还原反应。第二种情况一般不会出现，因为这是一个很漫长的过程且要求基金属硅含量很高，而打火却是很有可能的。如果抑制了中间层的形成，那么从某个方面来说就抑制了打火。

发明内容

本发明提供一种高电离率氧化物阴极等离子体源及其制备方法，它能在抑制打火现象发生的同时增加阴极的发射能力。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种高电离率氧化物阴极等离子体源，它包括下列重量份数的物质：碳酸钡BaCO₃ 1份，碳酸锶SrCO₃ 0.6-0.8份，碳酸钙CaCO₃ 0.05-0.2份，三氧化二钪Sc₂O₃ 0.05-0.2份。

所述碳酸钡BaCO₃、碳酸锶SrCO₃、碳酸钙CaCO₃、三氧化二钪Sc₂O₃的化学纯度皆为99.99％。

本发明还包括一种高电离率氧化物阴极等离子体源的制备方法，它包括如下步骤：

a、按上述碳酸钡BaCO₃、碳酸锶SrCO₃、碳酸钙CaCO₃、三氧化二钪Sc₂O₃的比例配置粉末；

b、按1g粉末1～2ml的比例将乙酸异戊脂加入步骤a得到的粉末，放入研磨机研磨至颗粒尺度小于3um，再按1g粉末1～2ml的比例加入胶棉液，经过充分混合后，得到备用的悬浊液；