針對陰極失效影響因素中的真空度問題，利用掃描電子顯微鏡以及能譜儀作為研究手段，分析對比了未老煉以及在不同真空條件下老煉的陰極的微觀結(jié)構(gòu)以及成分差異，結(jié)果表明，真空度降低，陰極中發(fā)射物質(zhì)將與空氣中的水汽以及氧反應(yīng)，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這對于行波管的封裝可靠性提出了較高要求。

　　行波管廣泛地應(yīng)用于雷達、導(dǎo)航和通信等國防工程領(lǐng)域。陰極是行波管的心臟，其性能的好壞對行波管的穩(wěn)定可靠性工作有著重要的影響，而在陰極的失效影響因素中，真空度是一個重要的影響因素。目前的文獻報道主要是從宏觀角度來分析行波管的可靠性，建立失效模型或者是從陰極材料本身來研究其發(fā)射性能，如真空技術(shù)網(wǎng)前文就對行波管的可靠性進行了探討，對真空殘氣對陰極的發(fā)射性能進行了研究。本工作從微觀角度對真空度的影響的機理進行探討，可以做為從宏觀上提高陰極性能以及行波管可靠性的指導(dǎo)。

1、實驗

1.1、試劑及儀器

　　試劑：鎢粉，添加Sc₂O₃ 質(zhì)量比為5％的鋁酸鹽

　　分析儀器：日本電子JOEL- 6490LV 掃描電子顯微鏡；美國EDAX GENESIS2000XMS 型X 射線能譜儀（EDS）。

1.2、樣品制備

　　首先把制備好的鎢粉壓制燒結(jié)成鎢海綿體（即鎢胚），再進行機械加工，使鎢海綿體符合陰極的形狀尺寸要求。然后篩選孔隙度在20%~25%的海綿體。高溫下，在氫氣爐中將添加Sc₂O₃ 質(zhì)量比為5％的鋁酸鹽（摩爾比為BaO：CaO：Al₂O₃ =4∶1∶1） 浸漬入海綿體的孔隙內(nèi)即成。浸漬好的陰極需要在優(yōu)于5×10^{- 5} Pa 的高真空下進行熱激活。將陰極溫度升高到1200℃, 老煉10 min。將新制成未老煉的陰極編號為A，經(jīng)過老煉后裝管測試。將裝入氣壓為10^{- 4}~10^{- 5} Pa 下測試的陰極編號為B，將裝入氣壓為10^{- 2}~10^{- 3} Pa下測試的陰極編號為C。

2、微觀分析

　　將上述工藝過程制備的鋇鎢陰極進行篩選，將未老煉的陰極A 進行SEM 觀察，如圖1 所示。老煉后的陰極經(jīng)過裝管，在不同氣壓條件下進行陰極發(fā)射性能測試。測試結(jié)果表明B 樣品的發(fā)射性能優(yōu)于C，且C 的發(fā)射電流逐漸降低。測試完成后，開管對陰極表面的微觀結(jié)構(gòu)進行SEM 觀察。并對測試過的陰極B 和陰極C 不同區(qū)域進行EDS 分析，能譜儀工作電壓為20 kV，工作距離保持在10 mm。SEM 及EDS的結(jié)果如圖2、3 以及圖4 所示。分析各不同區(qū)域的成分如表1 所示。

圖1 樣品A 的表面SEM 圖　圖2 樣品B 和C 的表面SEM 圖

圖3 樣品B 的能譜圖　圖4 樣品C 的EDS 圖譜

表1 陰極不同區(qū)域EDS 成分分析結(jié)果

　　從圖1 中可以看出，老煉前樣品A 的表面有明顯的車削痕跡，表面平整、孔洞分布均勻，陰極表面無發(fā)射物質(zhì)露出；老煉后裝管測試的兩個陰極表面存在很大的微觀差異。從圖B 的SEM 圖可以看出，裝入高真空中的陰極經(jīng)過測試后，陰極的表面依然平整；鎢顆粒表面有很多細顆粒，對其成分分析的結(jié)果表明主要是鎢及其氧化物；海綿體的孔隙處有稍大的顆粒物存在，成分分析結(jié)果表明主要為含鈧的鋁酸鹽發(fā)射物質(zhì)。樣品C的SEM 結(jié)果表明，裝入低真空中的陰極，樣品表面極不平整，有大量近似圓形顆粒狀物質(zhì)，且聚集在鎢基海綿體的孔洞邊緣，鎢基體表面也存在大量顆粒物。對陰極表面不同區(qū)域進一步的能譜分析表明，孔洞邊緣處的圓形顆粒狀物質(zhì)成分中引入一定量的碳，且與樣品B 相比Sc 的含量顯著降低；鎢基體顆粒表面除了不含有Sc 外，發(fā)射物質(zhì)的其他成分都存在，表明Sc 的蒸發(fā)比較嚴(yán)重，并有一定量發(fā)射物質(zhì)從海綿體內(nèi)部擴散到鎢顆粒表面。

3、結(jié)果與討論

　　通過對比分析未老煉以及在不同真空條件下老煉的陰極的微觀結(jié)構(gòu)以及成分差異，并結(jié)合它們發(fā)射性能，表明真空對陰極的性能有重要的影響。之所以會產(chǎn)生如此的差異，具體分析如下：

　　將陰極制備好以后，需要對其進行激活，在陰極激活以后，陰極就具有發(fā)射電子的本領(lǐng)。在陰極激活過程中，陰極內(nèi)部發(fā)生的物理化學(xué)過程目前還尚未完全搞清楚。目前認(rèn)為，在高溫下，一部分鋁酸鹽熱分解：

Ba₃Al₂O₆→2BaO+BaAl₂O₄（熱分解）

　　鎢海綿體不僅作為儲存發(fā)射物質(zhì)的倉庫，而且還是鋇鎢陰極的激活劑。鎢與氧化鋇或者鋁酸鹽都可產(chǎn)生反應(yīng)：

6BaO+W→Ba₃WO₆+3Ba
2Ba₃Al₂O₆+W→Ba₃WO₄+ 2BaAl₂O₄ +3Ba
W+ 3Ba₃Al₂O₆ +6CaO→3Ba₃CaAl₂O₆+Ca₃WO₆+3Ba

　　以上反應(yīng)都有自由鋇產(chǎn)生。實踐證明，自由鋇是激活陰極必不可少的條件，只有足夠的自由鋇產(chǎn)生并擴散到陰極表層去，陰極才具有良好的發(fā)射性能。而當(dāng)行波管密封性不好，真空度不足，有水汽進入時，工作于1000 多度高溫條件下的鎢海綿體內(nèi)的氧化物就會與水汽發(fā)生如下的化學(xué)反應(yīng)：

Al₂O₃+H₂OAl(OH)₃
CaO + H₂OCa(OH)₂
BaO + H₂OBa(OH)₂

　　陰極發(fā)射物質(zhì)與水生成氫氧化物體積膨脹，從而溢出鎢海綿體的孔洞，聚集在孔洞的邊緣，在高溫下，氫氧化物又會在孔洞口處發(fā)生分解，生成氧化物，聚集在海綿體孔洞的邊緣。在成分分析結(jié)果中C 元素的引入，說明空氣中的CO2 參與反應(yīng)，生成碳酸鹽聚集在孔洞周圍。以上的化學(xué)反應(yīng)均會過量的消耗海綿體內(nèi)的發(fā)射物質(zhì)，縮短陰極的使用壽命。而空氣中的氧對陰極也具有很強的去激活作用，易引起氧中毒，對陰極的電流發(fā)射及其不利。

　　以上的分析表明，行波管內(nèi)的真空度下降，發(fā)射物質(zhì)與空氣中的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，直接導(dǎo)致陰極表面的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響陰極的發(fā)射性能和使用壽命。陰極表面的微觀結(jié)構(gòu)會隨著工作氣氛的改變而發(fā)生變化，這對行波管封裝可靠性提出了較高的要求。