专利名称：一种抑制二次电子放射系数的方法
技术领域：
本发明属于涂层技术，涉及一种用于微波器件抑制二次电子放射系数的方法。
背景技术：
具有一定能量的电子打到材料表面以后，往往会激发出为数不等的其它电子，通常称为二次电子。所产生的二次电子数量与初始入射电子数量之比，称做该种材料的二次电子发射系数。真空微波器件是现代武器及宇航中导向和定位的关键部件，在雷达、制导等武器装备系统中居核心、先导地位。但器件内部的放电打火现象是此类器件失效的主要因素。例如，在大功率回旋管中，电子枪阳极和收集极均用铜材制得，电子打到阳极上产生的二次电子，很容易导致等离子体的产生从而引起管内打火，引起管子功率脉冲缩短现象的问题，最终导致管子失效。电子枪和降压收集极是大功率微波管重要部分，如何抑制微波管电子枪和降压收集极区的等离子体产生，是保证高功率微波器件性能优良的关键。从上述分析可知，如果能抑制栅极、收集极、阳极等部位的二次电子发射，就可以抑制等离子体产生、延长器件寿命。因而，对微波器件关键部件进行特殊的表面处理，抑制其二次电子发射，则可达到延长高功率微波器件工作寿命的目的。通常采用镀膜或改进表面形貌的方法来抑制二次电子发射。薄膜类型通常为化合物类材料，工艺复杂，且薄膜属性不易稳定。目前国外内也有在微波管内采用C膜抑制二次电子，C能与BaO在高温下发生化学反应，生成CO还原出Ba，CO为气体进入真空。金属Ba的熔点仅为725°C，在高温下Ba可由热蒸发而离开栅极，这样栅网表面的Ba与BaO的沉积总量将大大减少。但是在850°C温度下，C与BaO的化学反应速率较慢，当阴极发射物质Ba和BaO在栅网上沉积速率较大时，若沉积的BaO不能及时清除，将造成栅极发射电流增大。随着大功率、低截获脉冲行波管的高速发展，镀C膜己不能满足目前的需要。近年来国内外广泛采用镀Hf工艺代替使用了 二十多年的镀C工艺。Hf在高温下能与BaO发生化学反应生成HfBa03，其次Hf与阴极发射物质Ba相互渗透、反应生成HfBa化合物，使栅极表面的活性物质总量大大减小，栅极表面始终保持高功函数状态，从而有效地抑制栅电子的发射。但是若Hf膜表面达到化学饱和，将失去其功能。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够在高温下始终保持高功函数状态的抑制二次电子放射系数的方法。本发明的技术解决方案是，(I)选取基体材料的功函数值，(2)根据涂层材料的功函数值选择涂层材料，涂层材料的功函数值大于基体材料的功函数值，(Φ Φ*+0.45 0.5eV) (3)根据基体材料二次电子发射系数的抑制要求，在基体上将所选择的涂层材料制备成涂层。所述涂层材料的功函数值大于基体材料的功函数值0.45 0.5eV0所述的基体材料采用铜或钨(W)，涂层材料为钼(Pt)、镍(Ni)、金(Au)、铱(Ir)涂层。
所述的在基体上将所选择的涂层材料制备成涂层的方法采用喷涂、涂覆或磁控溅射方法。本发明具有的优点和有益效果，本发明通过比较基体材料与其他元素功函数的方法来选择涂层材料范围，方法简单、可行。通过该方法可方便快捷地确定可选的涂层材料，可节省相应的涂层制备工艺试验的工作量，进而节省了材料费用、工艺成本以及缩短试验周期。并且该方法适用于溅射沉积、电镀、化学镀等多种工艺手段在基体表面制备薄膜或涂层。涂层厚度可根据二次电子发射系数抑制幅度，在100 1500nm (视表面粗糙度)的较大范围内变化。
图1是本发明现有技术金属内部电子克服表面真空势垒逃逸原理示意图。图2是本发明表面制成高功函数薄膜以后真空势垒的高度增加及二次电子逃逸原理示意图。
具体实施例方式本发明首先选取基体材料的功函数值，然后，根据涂层材料的功函数值选择涂层材料，涂层材料的功函数值大于基体材料的功函数值，(Φ Φ s+0.45 1.5eV)再根据基体材料二次电子发射系数的抑制要求，在基体上将所选择的涂层材料制备成涂层。如图1所示，在金属材料I内部，电子8通常被束缚在能量较低的费米(Fermi)能级2状态，各原子的外层电子8为所有原子实6所共有。而在`金属表面4附近存在较高的真空势垒3，真空势垒与费米能级之差即为金属的逸出功或功函数5。所以电子越过真空势垒3脱离材料表面的几率很小(如图1中左侧部分所示)。但当具有一定能量的初始电子7打到材料表面以后，往往会使材料内部附近的电子获得接近或超过逸出功5的能量，因此可能激发出为数不等的二次电子9。二次电子发射过程非常复杂。目前理论认为该过程可分三个阶段讨论:(a) —次电子7入射到材料表面以内；(b)产生的二次电子8在材料内部的传输；(c) 二次电子克服材料表面真空势垒的最终逃逸成为脱离材料表面的二次电子9(如图1中右侧放大部分所示)。按此原理，真空势垒的高度对二次电子产额亦即二次电子发射系数有重要影响。因此，可利用功函数表，通过寻找比基体功函数高的材料，并在基体表面制成薄膜，表面薄膜区域的原子排列由涂层材料的原子实6’组成，因涂层材料的原子实6’具有较高的功函数，因而提高了表面真空势垒，起到抑制二次电子发射的作用，如图2所示。当在金属表面制备高功函数材料薄膜以后，真空势垒将由3增高至3’，功函数5已随之变为5’，较原来水平的增量为10。这将使二次电子逃逸真空势垒的难度进一步增加，从而起到抑制二次电子发射的作用。以基体材料选用铜为例，基体材料选用制造微波器件(例如行波管多级降压收集极)常用的无氧铜制，根据功函数表(表I)可得，该材料功函数0eu=4.48-5.1eV (多数资料给出4.6eV)。经测试其二次电子发射系数常温下在1.58。通过比较其它元素的功函数，发现钼(Pt)、金(Au)、铱(Ir)、镍(Ni)等元素的功函数均大于Cu的功函数，分别为ΦΡ =5.65eV, ΦΑυ=5.38eV, Φ Γ=5.27eV, ΦΝ =5.15采用化学镀与磁控溅射方法，在Cu基体上制备IOOmn IlOOmn的薄膜。在镀膜过程中施加了超声波震动，提高了零件表面的活性和被浸润程度，利于沉积层金属晶核的形成，起到细化镀层晶粒、改善致密性的作用，从而提高了镀层质量。经过对二次电子发射系数的测试发现，制备薄膜后的试片，其二次电子发射系数均得到不同程度降低。它们的二次电子发射系数分别是1.35、1.16.1.410降低幅度达到了 10.75 26.6%不等。取得了较好效果。如表2所示。表1.常用金属材料的功函数表
权利要求
1.一种抑制二次电子发射系数的方法，其特征是，(I)选取基体材料的功函数值，(2)根据涂层材料的功函数值选择涂层材料，涂层材料的功函数值大于基体材料的功函数值，Φ释≥Φ *+0.45 1.5eV (3)根据基体材料二次电子发射系数的抑制要求，在基体上将所选择的涂层材料制备成涂层。
2.根据权利要求1所述的一种抑制二次电子发射系数的方法，其特征是，所述涂层材料的功函数值大于基体材料的功函数值0.5eV。
3.根据权利要求1所述的一种抑制二次电子发射系数的方法，其特征是，所述的基体材料采用铜或钨涂层，涂层材料为钼、镍、金或铱涂层。
4.根据权利要求1所述的一种抑制二次电子发射系数的方法，其特征是，所述的在基体上将所选择的涂层材料制备成涂层的方法采用喷涂、 涂覆或磁控溅射方法。
全文摘要
本发明属于涂层技术，涉及一种用于微波器件抑制二次电子放射系数的方法。(1)选取基体材料的功函数值，(2)根据涂层材料的功函数值选择涂层材料，涂层材料的功函数值大于基体材料的功函数值，φ涂≥φ基00.45～1.5eV(3)根据基体材料二次电子发射系数的抑制要求，在基体上将所选择的涂层材料制备成涂层。本发明通过该方法可方便快捷地确定可选的涂层材料，可节省相应的涂层制备工艺试验的工作量，进而节省了材料费用、工艺成本以及缩短试验周期。并且该方法适用于溅射沉积、电镀、化学镀等多种工艺手段在基体表面制备薄膜或涂层。涂层厚度可根据二次电子发射系数抑制幅度，在100～1500nm(视表面粗糙度)的较大范围内变化。
文档编号H01J25/34GK103208408SQ20131012638
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月12日 优先权日2013年4月12日
发明者武洪臣, 朱彦海, 赵青, 王加梅, 马国佳, 孙刚 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所