[发明专利]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

说明书

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。

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。