一种空间行波管用低蒸发、三层膜阴极组件及其制备方法与流程

一种空间行波管用低蒸发、三层膜阴极组件及其制备方法与流程

本发明涉及电子管，具体为一种空间行波管用低蒸发、三层膜阴极组件及其制备方法。

背景技术

空间行波管是通信导航、数传等卫星系统中不可或缺的核心器件，具有微波功率放大的作用。阴极组件是空间行波管的核心部件，作为电子源发射电子并与信号相互作用，不但要保障空间、空地通信的电子信号顺畅，还要保障行波管在轨寿命和高可靠性。阴极发射面的膜层直接影响发射电子能力与寿命，非发射面的电子发射活性物质直接影响行波管绝缘可靠性。目前，空间行波管主要采用m型阴极(浸渍扩散阴极覆一层贵金属膜)，阴极发射面覆一层贵金属膜层，侧面非发射面不做物理屏蔽，存在发射膜层合金化与侧面活性物质蒸发现象，影响行波管绝缘可靠性。此外，随着频段的提高，空间行波管的尺寸较小，其电子光学极易受阴极表面发射性能以及阴极组件与附件部件距离的影响，且无有效空间(如阴-聚距离＜0.2mm)进行机械结构设计来屏蔽阴极侧面活性物质的蒸发。

传统的行波管阴极通常采用单层金属或合金材料，如钨或钨基复合材料，这些材料虽然具有较好的电子发射性能，但在面对极端空间环境(如高温、高辐射和真空)时，存在一些显著的局限性：

1. 高温蒸发率高：在高温工作环境下，传统材料易发生蒸发，导致阴极材料逐渐消耗，影响阴极的长期稳定性和寿命。
2. 电子发射效率低下：随着使用时间的增长，阴极表面可能会因材料退化而导致电子发射效率下降。
3. 环境适应性差：传统阴极材料对环境条件变化敏感，特别是在极端的真空和辐射环境下，容易发生性能波动。

技术实现思路

针对现有技术的不足，本发明提供了一种空间行波管用低蒸发、三层膜阴极组件及其制备方法，解决了传统的空间行波管在高温工作环境下，传统材料易发生蒸发，导致阴极材料逐渐消耗，影响阴极的长期稳定性和寿命的问题。

本发明通过以下技术方案予以实现：一种空间行波管用低蒸发、三层膜阴极组件，包括：

1. 位于基体上的钨基体；
2. 覆盖在钨基体上的第一层铼膜和钼膜；
3. 沉积在铼膜上的碳纳米管复合材料层；
4. 沉积在碳纳米管层上的第二层锇钨膜；
5. 沉积在锇钨膜上的第三层锇钌膜；
6. 其中，每层材料的厚度分别为：铼膜的厚度控制在0.5-2μm之间，碳纳米管层的厚度为10-50nm，锇钨膜的厚度为50-200nm，锇钌膜的厚度为20-100nm。

优选的，所述的碳纳米管复合材料层是通过化学气相沉积在铼膜上生长得到的，化学气相沉积过程中的温度为600-800℃，甲烷作为碳源，氢气作为载气，在化学气相沉积过程中，控制甲烷的流量为0.1-0.5sccm，氢气的流量为5-20sccm，确保碳纳米管的生长速率为每小时1-5nm。

优选的，所述第一层铼膜和钼膜是通过磁控溅射技术在钨基体上沉积得到的，溅射参数为：基板温度200℃，溅射功率120w，气压2pa，铼膜厚度控制公式：

优选的，所述的锇钨薄膜是通过脉冲直流溅射技术在碳纳米管复合材料层上沉积得到的，脉冲参数为100ns一次，脉冲频率为1khz，薄膜厚度和结合力控制公式：

优选的，所述空间行波管用低蒸发、三层膜阴极组件，其中所述的锇钌薄膜是通过脉冲直流溅射技术在锇钨薄膜上沉积得到的，脉冲参数为100ns一次，脉冲频率为1khz。

优选的，所述阴极组件通过长期高温高电压测试，其电子发射性能经过1000小时测试后，性能衰减不超过初始性能的20%。

优选的，所述阴极组件在模拟的空间环境下测试，其稳定性能满足在真空条件下连续工作超过2000小时的要求。

优选的，所述碳纳米管复合材料层在化学气相沉积过程中，其生长速率为每小时1-5nm，保证了复合层的均匀性和稳定性，所述阴极组件的碳纳米管复合材料层，其表面粗糙度不超过10nm，确保电子发射的均匀性和一致性。

一种空间行波管用低蒸发、三层膜阴极组件的制备方法，包括以下步骤：

1. 步骤一、在钨基体表面预处理，确保表面清洁和平整；
2. 步骤二、利用物理气相沉积技术，在预处理后的钨基体上沉积具有良好结合性的铼膜；
3. 步骤三、在铼膜表面利用化学气相沉积技术生长碳纳米管复合材料层，控制生长条件以实现均匀性和稳定性；
4. 步骤四、通过脉冲直流溅射。

优选的，所述制备方法进一步包括以下详细步骤：

1. 步骤一：在钨基体表面进行预处理，以确保表面的清洁和平整，具体包括：

• 使用机械抛光去除钨基体表面的氧化层和杂质；
• 钨基体经过超声波清洗机中的乙醇和去离子水混合溶液清洗，确保无可见杂质和有机物残留；
• 在高纯氩气保护的环境中对钨基体进行热退火处理，温度设定为950℃，持续时间2小时，以释放内部应力并提高晶体完整性；

2. 步骤二：利用物理气相沉积技术在预处理后的钨基体上沉积铼膜，其中：

• 溅射参数包括基板温度200℃，溅射功率120w，气压2pa；
• 铼膜的厚度通过控制溅射时间和流速精确调节，厚度控制在0.5-2μm之间；

3. 步骤三：在铼膜表面利用化学气相沉积技术生长碳纳米管复合材料层，具体包括：

• 设置化学气相沉积炉的温度为750℃；
• 甲烷作为碳源，流量控制在0.2sccm，氢气作为载气和活化气体，流量为10sccm；
• 确保碳纳米管的生长速率为每小时1-5nm，整个反应在低压条件下进行，总压力维持在500mtorr；

4. 步骤四：通过脉冲直流溅射技术依次沉积锇钨膜和锇钌膜，其中：

• 锇钨膜和锇钌膜的沉积参数包括脉冲宽度100ns，脉冲频率1khz；
• 锇钨膜的厚度为50-200nm，锇钌膜的厚度为20-100nm；
• 确保薄膜层次清晰且具有良好的结晶性，通过控制溅射条件和材料特性来优化薄膜的结合力和厚度。

本发明提供了一种空间行波管用低蒸发、三层膜阴极组件及其制备方法。具备以下有益效果：

1. 本发明通过采用高结晶度的锇钨与锇钌薄膜以及优化的碳纳米管复合材料层，显著提高了阴极组件的电子发射效率，锇钨和锇钌薄膜的引入降低了阴极的工作函数，优化了电子逸出表面的能态分布，从而减少了电子发射所需的能量，增加了在相同工作条件下的电子输出量，此外，碳纳米管的高导电性为电子提供了一个低阻抗的传输路径，进一步增强了电子的集体发射效果，在传统m型阴极发射膜层基础上，采用铼膜-锇钨膜-锇钌膜三明治发射薄膜结构，在提升薄膜质量的同时，又可降低锇钨膜的合金化、使阴极发射体系始终处于最佳功函数状态、减少阴极发射层的合金化、提高寿命，使得行波管在全寿命期间能更稳定地工作。
2. 本发明采用多层膜结构，特别是在铼基底上引入碳纳米管层和覆盖锇钨与锇钌薄膜，有效地保护了阴极材料不受高能粒子和辐射的直接侵蚀，显著延长了阴极的使用寿命。碳纳米管层作为一个稳定的缓冲层，不仅提高了阴极的热稳定性，还通过其独特的纳米结构降低了热应力，防止了高温下材料的迅速劣化。这些设计优化确保了阴极在高压和高温的极端工作环境下保持更长时间的稳定性和可靠性，在传统m型阴极基础上，设计了专用模具，通过铼、钼金属膜层涂覆在阴极非发射面上，可以抑制钼金属扩散到阴极基体，也可抑制阴极的发射活性物质的扩散蒸发，同时不影响阴极基体的发射性能和阴聚距离变化导致电子光学状态发生变化，充分提升行波管阴聚绝缘可靠性。
3. 本发明通过在阴极设计中引入多脉冲溅射技术，有效地控制了锇钨与锇钌薄膜的沉积过程，使薄膜具有更高的结晶度和更好的界面质量。多脉冲技术在沉积过程中间歇性地调整能量输出，有助于减少材料沉积时产生的内部应力，从而避免了薄膜在长期使用中可能出现的裂纹或剥离。这种技术的应用显著提高了薄膜的机械强度和结构完整性，为阴极组件提供了额外的物理保护。
4. 本发明通过精心设计的三层膜结构，本发明的阴极组件具备出色的耐高温和抗辐射能力，使其能够在空间环境中的极端条件下稳定工作。锇钨和锇钌薄膜的高熔点和优异的化学稳定性，使阴极能够抵御高能粒子和严酷的热循环影响，保持性能的一致性和可靠性。这种耐环境侵蚀的特性是空间行波管及其他航天器件中不可或缺的，确保了设备的长期有效运行。