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行波管阴极的显微研究

作　者: 张德政
导　师: 包生祥
学　校: 电子科技大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 行波管阴极扫描电子显微镜二次电子像显微分析
分类号: TN124
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

大功率宽带行波管作为军事电子装备的心脏,在现代高技术战争中起着重要的作用。与国外相比,国产行波管在寿命和可靠性方面存在明显差距。阴极作为影响行波管寿命的关键部件,其性能和组成结构之间的关系是研制高性能阴极的必须搞清楚的基本问题。目前针对阴极性能的研究通常是从阴极的工艺、理论、材料等方面进行的,很少有从阴极的微观结构来进行研究。本工作利用扫描电子显微镜和电子探针能谱仪,配合行波管阴极研制工艺,开展了原材料组成和结构的对比分析、工艺试验样品对比分析和失效原因分析等工作。主要工作内容和成果归纳如下。(1)二次电子成分像的研究。根据物质构成元素的原子序数的差别,提出了利用扫描电子显微镜中二次电子像来分析成分的新方法,同时研究了此方法在阴极中的应用以及可能存在的问题,与背散射电子像相比,该方法在获得阴极的成分信息的同时也可以获得形貌信息。(2)阴极基底的工艺对比分析。采用微观分析技术研究了经长期空气存放后钨粉的氧化情况,并与用氢气还原后的钨粉进行对比,结果显示,还原前后氧的含量变化明显,说明还原实验效果明显。根据还原前后钨粉的微结构变化解释了阴极基底结合力下降的原因;通过俄罗斯和国产阴极表面微结构的分析对比,以便找寻制备最佳基底的途径,分析结果表明,选用粒径为5～5.5μm经还原的钨粉,可以制的孔隙率和微结构与俄罗斯阴极相近的基底。(3)针对在管内无中毒气体时阴极寿命耗尽和通断实验后阴极失效两种情况,利用微观分析技术对阴极进行分析,结果表明寿命耗尽在阴极的微观结构上表现为活性物质耗尽,表面存在孔洞;通断过程虽然不会引起阴极微观结构的明显变化,但是成分分析结果表明活性物质也有向表面扩散的趋势。(4)利用微区分析技术研究了三种阴极失效现象。结果表明这三种失效现象主要是由于行波管内存在水汽、氧气和阳极蒸汽。阴极表面小黑斑的形成主要是由于管内存在水汽,导致活性物质发生“盐析”现象;阴极发射性能跌落式下降主要是由于管内存在氧气,虽然阴极表面微观结构无明显变化,但是阴极活性物质成分发生了变化;阴极表面污染物形成主要是由于管内真空度不高,给阴阳极加上一定电压时,阳极发生打火,阳极物质向阴极运动,轰击到阴极表面破坏薄膜结构的同时粘附到阴极表面。(5)针对阳极烧结过程中在退火炉内壁新产生白色沉积物的现象,利用扫描电子显微镜和能谱仪,分析了该沉积物的结构和成分,并与退火炉在长期退火过程中在内壁形成的原有深色沉积物进行对比研究。结果表明,形貌上白色沉积物荷电现象不明显,成分上主要以C、N和O等元素为主,白色沉积物粉末状的原因为前期电镀工艺结束后未清洗干净的残留镀液在高温下挥发所致。根据分析结果改进清洗工艺,避免了白色沉积物的再次出现。(6)针对阴极使用中发射性能下降的现象,研究了阴极组件中热屏筒Ta箔以及铜阳极表面的黑色物质,分析结果表明该黑色物质为阴极活性物质,结合阴极工作温度得知,该现象是由于阴极工作温度过高,活性物质大量蒸发造成的。以上结果为阴极原材料的选择、工艺的优化以及失效原因的分析等提供了微观依据,对于阴极寿命以及可靠性研究具有的重要支撑作用。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章引言  11-21
  1.1 行波管及阴极  11-16
  1.2 微分析技术  16-18
  1.3 研究背景及意义  18-20
  1.4 本文工作  20-21
第二章扫描电子显微镜的二次电子成分像研究  21-29
  2.1 扫描电子显微镜的结构和原理  21-23
    2.1.1 仪器构造  21-22
    2.1.2 成像信号  22
    2.1.3 二次电子像和背散射电子像的衬度  22-23
  2.2 实验  23-24
    2.2.1 样品及仪器工作条件  23
    2.2.2 实验结果  23-24
  2.3 讨论  24-26
  2.4 二次电子成分衬度在阴极中的应用  26-28
  2.5 本章小结  28-29
第三章阴极基底的工艺对比分析  29-40
  3.1 阴极基底表面微结构对阴极发射性能的影响  29-30
  3.2 工序流程  30-31
  3.3 结果与讨论  31-39
    3.3.1 原料钨粉的检验  31-33
    3.3.2 还原对原料的影响  33-35
    3.3.3 还原对钨粉压制的影响  35-37
    3.3.4 基底表面孔隙率的选定  37-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章环境气氛对阴极表面微观结构影响的研究  40-55
  4.1 高真空下阴极的微观结构研究  40-45
    4.1.1 正常寿命耗尽的阴极表面研究  40-43
    4.1.2 通断实验后阴极微区分析  43-45
  4.2 环境氛围导致的阴极表面微观结构改变研究  45-54
    4.2.1 阴极表面小黑斑的研究  45-48
    4.2.2 阴极发射电流跌落式下降原因分析  48-50
    4.2.3 阴极表面污染物原因分析  50-54
  4.3 本章小结  54-55
第五章与阴极有关的失效分析案例  55-62
  5.1 退火炉内壁白色沉积物的电子显微研究  55-59
    5.1.1 实验方法  55-56
    5.1.2 结果与讨论  56-57
    5.1.3 产生白色沉积物的原因分析  57-58
    5.1.4 结论  58-59
  5.2 阴极发射电流下降的失效分析  59-61
    5.2.1 样品描述  59
    5.2.2 样品分析  59-60
    5.2.3 结果与讨论  60-61
  5.3 本章小结  61-62
第六章结论  62-64
致谢  64-65
参考文献  65-69
攻读硕士学位期间取得的研究成果  69-70

行波管阴极的显微研究

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