欢迎访问沈阳真空杂志社 Email Alert    RSS服务

真空 ›› 2025, Vol. 62 ›› Issue (1): 1-9.doi: 10.13385/j.cnki.vacuum.2025.01.01

• 测量与控制 •    下一篇

热阴极的研究进展*

刘燕文1, 尚新文1, 陆玉新2, 田宏1, 赵恒邦1, 王小霞1   

  1. 1.中国科学院空天信息创新研究院 北京 100190;
    2.天津交通职业学院 天津 300110
  • 收稿日期:2023-10-25 出版日期:2025-01-25 发布日期:2025-02-10
  • 作者简介:刘燕文(1964-),男,天津人,博士。
  • 基金资助:
    * 国家重大项目(2009ZYHD0001); 国家重点项目(2209WD0013-2); 预研项目(31512050304)

Development of the Thermal Cathode

LIU Yanwen1, SHANG Xinwen1, LU Yuxin2, TIAN Hong1, ZHAO Hengbang1, WANG Xiaoxia1   

  1. 1. Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100090, China;
    2. Tianjin Traffic Vocational Institute, Tianjin 300110, China
  • Received:2023-10-25 Online:2025-01-25 Published:2025-02-10

摘要: 微波真空电子器件广泛应用于卫星通信及未来军事前沿的高功率微波武器等领域,热阴极作为真空电子器件的核心,其性能将直接影响微波器件的寿命及输出性能,这对阴极提出了很高的要求。温度对热阴极发射性能会产生非常大的影响,因此准确地确定热阴极的温度非常重要。本研究介绍了热阴极的发展历史,总结对比了不同阴极及其热电子发射性能,包括纳米粒子薄膜阴极和传统覆膜阴极热电子发射均匀性的对比,以及传统覆膜阴极、浸渍阴极和纳米粒子薄膜阴极蒸发速率与温度的关系等。并且利用光学测温仪、红外测温仪、热电偶测温仪(铂铑–铂)对覆膜阴极表面、扩散阴极表面及阴极侧面(钼)的温度进行了对比测试研究。

关键词: 微波真空电子器件, 热阴极, 温度, 金属阴极, 氧化物阴极, 浸渍阴极

Abstract: Microwave vacuum electron devices are used in a wide variety of areas, such as radar, space technology and electron accelerators. The thermal cathode is one of the cores of the vacuum electron devices, its performances directly determine the reliability and lifetime of the electron devices. Therefore, a higher demand is put for thermal cathode. It is important to determine the temperature of the hot cathode accurately. The thermal electron emission performance of different cathodes is summarized and compared, including the comparison of the uniformity of hot electron emission between nano-particulated thin film cathode and traditional coated cathode, and the variation of ion current of evaporates from S-type cathode and M-type cathode (coated with iridium) and N-type cathode (coated with iridium nano-particulated thin films) with temperature and time. The temperature of the cathode surface and the cathode side (molybdenum tube) are tested by the infrared thermometer, optical pyrometer, and thermocouple thermometer (platinum and rhodium-platinum).

Key words: microwave vacuum electronics, thermal cathode, temperature, metal cathode, oxide cathode, impregnated cathode

中图分类号:  TN105.1

[1] 廖复疆. 大功率微波真空电子学技术进展[J]. 电子学报,2006, 34(3): 513-516.
[2] SHIN Y M, BARNETT L R, GAMZINA D, et al.Terahertz vacuum electronic circuits fabricated by UV lithographic molding and reactive ion etching[J]. Applied Physics Letters, 2009, 95(18): 181505.
[3] CHU K R.The electron cycltron maser[J]. Reviews of Modern Physics, 2004,76: 489.
[4] SIRIGIRI J R, SHAPRIO M A, TEMKIN R J.High power 140 GHz quasi-optical gyrotron travelling wave amplifier[J]. Physical Review Letters, 2003, 90: 258302.
[5] SZABO J.Explosive growth in electric propulsion[J]. Aerospace America, 2019, 57(11): 46.
[6] LEVCHENKO I, KEIDAR M, CANTRELL J, et al.Explore space using swarms of tiny satellites[J]. Nature, 2018, 562: 185-187.
[7] GOEBEL D M, JAMESON K K, HOFER R R.Hall thruster cathode flow impact on coupling voltage and cathode life[J]. Journal of Propulsion & Power, 2012, 28(2): 355-363.
[8] LEVCHENKO I, BAZAKA K, BELMONTE T, et al.Advanced materials for next-generation spacecraft[J]. Advanced Materials, 2018, 30(50): 1802201.
[9] LEVCHENKO I, BAZAKA K, MAZOUFFRE S, et al.Prospects and physical mechanisms for photonic space propulsion[J]. Nature Photonics, 2018, 12: 649-657.
[10] LEVCHENKO I, BAZAKA K, DING Y, et al.Space micropropulsion systems for cubesats and small satellites: from proximate targets to furthermost frontiers[J]. Applied Physics Reviews, 2018, 5(1): 011104.
[11] KREJCI D, MIER-HICKS F, THOMAS R, et al.Emission characteristics of passively fed electrospray microthrusters with propellant reservoirs[J]. Journal of Spacecraft & Rockets, 2017, 54(2): 447-458.
[12] CHEN C, CHEN M L, ZHOU H H.Characterization of an ionic liquid electrospray thruster with a porous ceramic emitter[J]. Plasma Science and Technology, 2020, 22(9): 094009.
[13] WANG X X, LIAO X H, LUO J R.Study on the Ni-Re-Ir sponge oxide cathode[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2012, 59(2): 491-495.
[14] LIU Y W, TIAN H, LU Y X.Influences of diamond material on heat dissipation capabilities of helical slow wave structures[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2019, 66(12): 5321-5326.
[15] 王金淑, 周美玲, 左铁镛, 等. 钨钼热阴极材料的进展[J].稀有金属, 2001, 25(1): 64-67.
[16] POTRIVITU G C, XU L, HUANG S, et al.Discharge mode transition in a krypton-fed 1 A-class LaB6 cathode for low-power Hall thrusters for small satellites[J]. Journal of Applied Physics, 2020, 127: 064501.
[17] 张敏, 王小霞, 罗积润, 等.等离子喷涂含钪氧化物阴极制备及发射特性研究[J]. 物理学报, 2012, 61(7): 468-473.
[18] LIU Y W, TIAN H, LI F, et al.Effects of nanomaterials on Cs3Sb photocathode emission performance[J]. AIP Advances, 2022, 12(3): 035004.
[19] 刘燕文, 刘胜英, 田宏, 等.用于空间行波管的高效率覆膜阴极组件的研究[J].真空科学与技术学报, 2006, 26(3): 240-242.
[20] THOMAS R E, GIBSON J W, HAAS G A, et al.Thermionic sources for high brightness electron beams[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 1990, 37(3): 850-861.
[21] 郭艳群, 聂祚仁, 席晓丽, 等.钨热电子发射材料的研究进展[J].稀有金属, 2005, 29(2): 200-205.
[22] ISAGAWA S, HIGUCHI T, KOBAYASHI K, et al.Application of M-type cathodes to high-power cw klystrons[J]. Applied Surface Science, 1999, 146(1-4): 89-96.
[23] IVES R L, FALCE L R, MIRAM G, et al.Controlled porosity catlodes for high-current- density application[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2010, 38(6): 1345-1353.
[24] CHIBA A, AKIYAMA Y.Life test evaluation of 411M cathode for highly reliable satellite TWTs[J]. Applied Surface Science, 1999, 146(1-4): 120-125.
[25] QIN J F, ZHANG G M, XING Y J.Direct growth of tungsten oxide nanorods from heated tungsten foils[J]. Science China Technological Sciences, 2012,55: 1503-1508.
[26] WHALEY D R, DUGGAL R, ARMSTRONG C M, et al.100 W operation of a cold cathode TWT[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2009, 56(5): 896-905.
[27] 刘燕文, 刘胜英.一种金属纳米薄膜浸渍钡钨阴极的制备方法:CN200410101870.4[P].2010-12-24.
[28] 刘燕文, 田宏, 韩勇, 等.新型的覆纳米粒子薄膜阴极的研究[J].物理学报, 2009, 58(12): 8635-8642.
[29] 刘学悫. 阴极电子学[M].北京:科学出版社,1980.
[30] 廖复疆. 真空电子技术:信息装备的心脏[M].北京:国防工业出版社,1999.
[31] 王金淑, 刘伟, 李娜, 等.稀土难熔金属阴极材料研究进展[J].真空电子技术, 2006(2):5-9.
[32] 王发展, 张晖, 丁秉钧.钨阴极材料及其研究进展[J].材料导报, 2001, 15(6): 10-12.
[33] WANG J S, LIU W, LI L L, et al.A study of scandia-doped pressed cathodes[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2009, 56(5): 799-804.
[34] 杨晓青, 罗振中, 郭荣辉, 等. 钨电极材料研究进展[J].稀有金属与硬质合金, 2005, 33(4): 52-54.
[35] BAGUE P,DORNKET J,CHOLIER L, et al.Evidence for the phenomenon of carburization- decarburization of tungsten carbide[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 1994, 27(2): 402.
[36] 席晓丽, 聂祚仁, 杨建参, 等. 掺杂方式对钨电子发射材料性能和结构的影响[J]. 稀有金属, 2004, 28(2): 293-296.
[37] 王哲, 王芦燕, 章德铭.成分配比对稀土钨电极材料组织及力学性能影响[J].有色金属工程, 2022, 12(8):55-61.
[38] 席晓丽, 聂祚仁, 郭艳群, 等. 纳米铈-钨发射材料的结构与热发射性能研究[J].中国稀土学报, 2005, 23(1): 36-39.
[39] 李淑霞, 魏光明, 朱瑞. 镧钨电极材料[J]. 中国钨业, 1998,(6): 42-44.
[40] 陈文革, 丁秉均, 张晖. 纳米晶W-La2O3电极材料的电弧特性[J]. 中国有色金属学报, 2003, 13(5): 1103-1106.
[41] KOITABASHI, YAHAMOTO,SOOZUKI. Mitsubishi Denki Laboratory Reports[R]. 1973, 14(1-4): 53.
[42] 杨伯华, 陈响明, 喻玮强. 复合稀土钨电极研究[J]. 中国钨业, 2003, 18(2): 38-43.
[43] 聂祚仁, 周美玲, 陈颖, 等. 二元复合稀土钨电极材料的性能[J]. 金属学报, 1999, 35(3): 334-336.
[44] 贾佐诚, 康庆华, 齐燕波, 等. 新型稀土电极材料[J]. 粉末冶金技术, 1993, 11(3): 196-201.
[45] 廖显恒,王小霞,赵青兰,等.氧化物阴极的应用研究及发展[J].微波学报, 2010 (增刊1): 534-538.
[46] 王小霞, 张敏, 赵青兰. 一种制备镍钪海绵氧化物阴极的方法:CN201110309990.3[P].2013-04-17.
[47] 王小霞, 廖显恒, 罗积润, 等. 新型贮存式氧化物阴极寿命机理的初步探讨[J]. 物理学报, 2009, 58(2): 1280-1286.
[48] 王小霞, 廖显恒, 罗积润, 等. 一种贮存式氧化物阴极[J]. 电子与信息学报, 2006, 11,28(11):2179-2181.
[49] 张敏, 王小霞. 等离子喷涂氧化物阴极的涂层表面分析探讨[J].真空电子技术, 2017(3): 58-60.
[50] 张恩虬. 关于热电子发射理论的评述(Ⅲ):动态表面发射中心[J]. 物理学报, 1976, 25(1): 23-30.
[51] LIAO X H, WANG X X, ZHAO Q L, et al.Development of new types of oxide cathodes[J]. Applied Surface Science, 2005, 251(1-4): 64-68.
[52] SAITO M, SUZUKI R, FUKUYAMA K, et al.Investigation of Sc/sub 2/O/sub 3/ behavior in Sc/sub 2/O/sub 3/-dispersed oxide cathodes[J]. IEEE transactions on electron devices, 1990, 37(12): 2605-2611.
[53] 王亦曼. 高电流密度热阴极的进展[J]. 真空电子技术, 1994 (4): 8-13.
[54] LEMMENS H J.A new thermionic cathode for heavy loads[J]. Philips Technology Review, 1950, 11: 341-350.
[55] 张红卫. 大功率微波管阴极的研制和制备[D]. 合肥:合肥工业大学, 2007.
[56] LI J, YU Z Q, SHAO W S, et al.High current density M-type cathodes for vacuum electron devices[J]. Applied Surface Science, 2005, 251(1-4): 151-158.
[57] CRONIN J L.Modern dispenser cathodes[J]. IEE Proc., 1981, 128(1): 19-32.
[58] ZALM P, VAN STRATUM A J A. Osmium dispenser cathodes[J]. Philips Technology Review, 1966, 27(3/4): 69-75.
[59] SHAO W S, ZHANG K, LI J, et al.Gas poisoning investigations of scandate and M-type dispenser cathodes[J]. Applied Surface Science, 2003, 215(1-4): 54-58.
[60] GREEN M C, SKINNER H B, TUCK R A.Osmium-tungsten alloys and their relevance to improved M-type cathodes[J]. Applications of Surface Science, 1981, 8(1/2): 13-35.
[61] 刘燕文, 王小霞, 田宏, 等. 纳米粒子薄膜热电子发射性能[J]. 中国科学: 信息科学, 2015, 45(1): 145-156.
[62] LIU Y W, TIAN H, HAN Y, et al.Study on the emission properties of the impregnated cathode with nanoparticle films[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2012, 59(12): 3618-3624.
[63] 曹贵川, 林祖伦, 祁康成, 等. 钪钨基体钡钨热阴极发射性能研究[J].电子元器件应用, 2012, 14(11): 21-24.
[64] FUKUDA S, HAYASHI K, MAEDA S, et al.Performance of a high-power klystron using a BI cathode in the KEK electron linac[J].Applied Surface Science, 1999, 146(1-4):84-88.
[65] 刘燕文, 田宏. 小多注速调管覆膜阴极的制备方法:CN00132779.8 [P].2000-11-17.
[66] 李爱君, 王建忠, 敖庆波, 等. 钪酸盐阴极的研究进展[J]. 材料保护,2013(增刊2):142-144.
[67] 方荣, 陆玉新. 热阴极的发展现状[J].真空电子技术, 2015(1):12-19.
[68] 陶斯武, 王金淑, 王亦曼, 等. 钪系阴极的发展概况[J]. 稀有金属, 2003, 27(2): 268-272.
[69] HASKER J, VAN ESDONK J, CROMBEEN J E.Properties and manufacture of top-layer scandate cathodes[J]. Applied Surface Science, 1986, 26(2): 173-195.
[70] YAMAMOTO S, TAGUCHI S, AIDA T, et al.Some fundamental properties of Sc2O3 mixed matrix impregnated cathodes[J]. Applications of Surface Science, 1984, 17(4): 504-516.
[71] MITCHELL R, GARDNER B, ILG T, et al.Upgrades to the injector cathode and supporting structure of the DARHT second axis accelerator[C]// Particle Accelerator Conference. Proceedings of PAC09. Vancouver, BC, Canada, 2009.
[72] 杨安民, 夏连胜, 王辉, 等. 大直径钪酸盐阴极发射特性[J].强激光与粒子束, 2011, 23(6): 1621-1624.
[73] RICHARDSON O W.Electron theory of matter[J]. Philosophical Magazine, 1912, 23: 599-609.
[74] 刘燕文, 陆玉新, 田宏,等.微波电真空器件用热阴极的温度测量[J].强激光与粒子束, 2016, 28(7): 79-83.
[75] SCIT系列分离式红外温度计用户手册[Z].SCIT系列分离式红外温度计用户手册[Z]. 北京:中国科学院自动化研究所,2011.
[76] 刘燕文,田宏,韩勇,等.支取发射电流过程对热阴极温度影响的研究[J]. 中国科学:技术科学, 2008, 38(9): 1515-1520.
[77] LIU Y W, TIAN H, HAN Y, et al.Temperature variation of a thermionic cathode during electron emission[J]. Science in China Series E: Technological Sciences, 2008, 51: 1497-1501.
[1] 王国防, 刘家林, 孙成恺, 刘海静, 张静, 董德胜. 一种高精度外热流模拟控制系统设计与研究[J]. 真空, 2024, 61(4): 65-70.
[2] 刘玉琢, 王鑫, 李娜, 甄真, 许振华. CVD关键工艺参数对(Ni, Pt)Al涂层高温防护性能影响*[J]. 真空, 2024, 61(3): 63-69.
[3] 刘楚彦, 刘招贤, 任国华, 韩琰, 孙立臣, 闫荣鑫, 孟冬辉. 温度对石墨烯真空标准漏孔漏率的影响研究*[J]. 真空, 2024, 61(2): 37-41.
[4] 赵祯赟, 陈定君, 郭圆萌, 杨皓, 东帅, 孙铁生, 黄美东. 不同温度下氮化铬薄膜的疏水性能研究*[J]. 真空, 2024, 61(1): 27-33.
[5] 刘海静, 董德胜, 王晓占, 李灿伦, 冯蕾, 季琨, 靳兆峰. 高真空冷黑环境下大面阵黑体定标器控温应用研究[J]. 真空, 2024, 61(1): 74-77.
[6] 卢少波, 韩永超, 宋艳鹏, 张吉峰. 用于核电元件制造的深井式真空钎焊设备设计[J]. 真空, 2023, 60(3): 72-75.
[7] 苏菲, 王魁汉, 夏春明, 赵晓东. AMS2750F标准的解读与温度传感器的开发[J]. 真空, 2023, 60(2): 78-85.
[8] 刘兴龙, 沈佩, 王光文, 岳向吉, 蔺增. 真空电弧源冷却结构对温度场的影响研究*[J]. 真空, 2022, 59(6): 29-33.
[9] 翟艳坤, 白雪卫, 张凤宇, 徐铭泽, 苑仁月, 陈俊寅, 黄海波. 高能束熔覆涂层质量缺陷形成机理及控制方法研究现状*[J]. 真空, 2022, 59(6): 78-86.
[10] 刘燕文, 孟鸣凤, 张晓林, 朱虹, 王国建, 赵恒邦, 王小霞, 张志强. 熔融热子组件的制备*[J]. 真空, 2022, 59(4): 76-79.
[11] 刘燕文, 孟鸣凤, 陆玉新, 朱虹, 王国建, 赵恒邦, 王小霞, 张志强. 浸渍阴极的真空预处理技术*[J]. 真空, 2022, 59(1): 54-58.
[12] 刘海静, 李灿伦, 路同山, 孙成恺, 李卓慧, 祁松松, 刘家林. 大口径超长U型气体池研制与分析[J]. 真空, 2021, 58(6): 55-58.
[13] 解永强, 靳丽岩, 杨晓东, 王成君, 夏丹, 苏春. 基于半导体器件钎焊技术的温度场研究[J]. 真空, 2021, 58(4): 58-62.
[14] 余清洲, 张俊, 李斌, 高明燚, 刘明昆, 柴晓彤, 干蜀毅. 空调散热器真空除油干燥箱温度场优化[J]. 真空, 2021, 58(1): 82-85.
[15] 张世伟, 孙坤, 韩峰. 螺杆真空泵设计的常见问题分析[J]. 真空, 2021, 58(1): 23-28.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 李得天, 成永军, 张虎忠, 孙雯君, 王永军, 孙 健, 李 刚, 裴晓强. 碳纳米管场发射阴极制备及其应用研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 1 -9 .
[2] 周彬彬, 张 建, 何剑锋, 董长昆. 基于 CVD 直接生长法的碳纳米管场发射阴极[J]. 真空, 2018, 55(5): 10 -14 .
[3] 柴晓彤, 汪 亮, 王永庆, 刘明昆, 刘星洲, 干蜀毅. 基于 STM32F103 单片机的单泵运行参数数据采集系统[J]. 真空, 2018, 55(5): 15 -18 .
[4] 李民久, 熊 涛, 姜亚南, 贺岩斌, 陈庆川. 基于双管正激式变换器的金属表面去毛刺 20kV 高压脉冲电源[J]. 真空, 2018, 55(5): 19 -24 .
[5] 刘燕文, 孟宪展, 田 宏, 李 芬, 石文奇, 朱 虹, 谷 兵, 王小霞 . 空间行波管极高真空的获得与测量[J]. 真空, 2018, 55(5): 25 -28 .
[6] 徐法俭, 王海雷, 赵彩霞, 黄志婷. 化学气体真空 - 压缩回收系统在环境工程中应用研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 29 -33 .
[7] 谢元华, 韩 进, 张志军, 徐成海. 真空输送的现状与发展趋势探讨(五)[J]. 真空, 2018, 55(5): 34 -37 .
[8] 孙立志, 闫荣鑫, 李天野, 贾瑞金, 李 征, 孙立臣, 王 勇, 王 健, 张 强. 放样氙气在大型收集室内分布规律研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 38 -41 .
[9] 黄 思 , 王学谦 , 莫宇石 , 张展发 , 应 冰 . 液环压缩机性能相似定律的实验研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 42 -45 .
[10] 常振东, 牟仁德, 何利民, 黄光宏, 李建平. EB-PVD 制备热障涂层的反射光谱特性研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 46 -50 .