一种以Cu为多级降压收集极的收集极表面处理方法

摘要

本发明公开了一种以Cu为多级降压收集极的收集极表面处理方法，以无氧铜为多级降压收集极，将所述收集极置于0.1-15MPa的高压反应釜中，以蒸馏水或乙醇为溶剂，溶剂的添加量至少使收集极浸没，然后高压反应釜在密封的状态下控制反应温度170-190℃反应至少12小时，反应结束后冷却至室温，洗涤并干燥后再经退火处理。本发明无需制备专门工艺设备，影响因素较少，处理控制过程难度较小，且克服了一般石墨材料结构比较疏松、强度较低的缺点，对收集极绝缘性能不会产生影响。经本发明方法可以将多级降压收集极电极的二次电子发射系数由无氧铜材料的1.3降至0.9以下，相应行波管的总效率也可提高2％以上。

权利要求

1.一种以无氧铜为多级降压收集极的收集极表面处理方法，其特征在于按以下步骤操作：

以无氧铜为多级降压收集极，将所述收集极置于0.1-15MPa的高压反应釜中，以蒸馏水或乙醇为溶剂，溶剂的添加量至少使收集极浸没，然后高压反应釜在密封的状态下控制反应温度170-190℃反应至少12小时，反应结束后冷却至室温，依次经去离子水和无水乙醇洗涤并干燥后再置于管式炉中，在氢气气氛中于800-850℃退火处理。

2.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于：所述无氧铜在表面处理前经蒸馏水和丙酮分别清洗。

说明书

一种以Cu为多级降压收集极的收集极表面处理方法

一、技术领域

[0001] 本发明涉及一种卫星行波管多级降压收集极的表面处理方法，具体地说是一种以Cu为多级降压收集极的收集极表面处理方法，属于真空电子技术领域。二、背景技术

[0002] 卫星行波管作为末级功放，广泛地用于通讯、导航定位、军事测绘、微波遥感、电子侦察、数据传输等有效载荷技术，是星载核心元件器件。

[0003] 作为卫星用行波管，高效率是其核心技术指标之一。行波管的效率主要决定于电子效率和收集极的回收效率，电子效率达到一定限度后，很难再进一步提高，此时效率提高主要取决于收集极的回收效率。国外高效率行波管基本上都采用多级降压收集极，采用多级降压收集极技术可将某些频段行波管的效率提高到70％以上，收集极的回收效率可达85％以上[参考文献：Menninger W L，BenTon R T，Chio M S，et al.70％ Efficient Ku-Band and CBand TWTS for Satellite Downlinks，IEEE Transactions on Electron Devieces，2005，52(5)：673-678]。

[0004] 高效率多级降压收集极可以从两个方面来实现：一个是从电子光学设计角度，对电子能量及分布、飞行轨迹进行计算和模拟，为设计高回收效率的收集极结构提供依据；另外一方面，从材料和工艺角度，选用二次级电子发射系数小的材料作为收集极电极，或者对电极表面进行技术处理，提高回收效率。

[0005] 在结构设计确定的情况下，要获得更高的回收效率，收集极电极表面应具有低的二次电子发射系数。高导无氧铜是应用最广泛的多级降压收集极电极材料，但是其二次电子发射系数较高[参考文献：Curren A N and Jensen K A，Secondary Electron Emission Characteristics of Ion-Textured Copper and High-Purity Isotropic Graphite Surfaces，NASA Technical Paper 2342(1984)；Ebihara B T and Ramins P，Design，Fabrication，and Performance of Small，Graphite Depressed Collectors With 200-W，CW，8-18GHz Traveling-Wave Tubes，NASA Technical Paper 2693(1987)]。采用离子束表面改性技术使其表面发生微米或亚微米尺度的粗化，可以显著降低无氧铜表面的二次电子发射系数[参考文献：Ebihara B T and Ramins P，Design，Fabrication，and Performance of Small，Graphite Depressed Collectors With 200-W，CW，8-18GHz Traveling-Wave Tubes，NASATechnical Paper 2693(1987)；Curren A N and Jensen K A and Roman R F，Secondary Electron Emission Characteristics of Molybdenum-Masked，Ion-Textured OFHC Copper，NASA Technical Paper 2967(1990)]。这是因为，由于入射电子轰击产生的二次电子逸出表面时，表面微锥发生多次碰撞后容易被表面吸收，从而可以降低表面的二次电子发射率。但是，离子束表面改性需要专用工艺设备，工艺机理复杂，影响因素较多，导致处理过程控制难度较大。而且，对实际工件的处理还需要设计专门的工装卡具，效果也受到一定的限制。

[0006] 采用二次电子发射系数小的石墨类材料(各项同性石墨和热解石墨等)也可以获得高的回收效率，在此基础上在进行离子束改性处理可以获得更佳的实验效果[参考文献：Ramins P and Curren A N，Performnce of Textured Carbon on Copper Electrode Multistage Depressed Collector with Medium-Power Traveling Wave tubes，NASA Technical Paper2665(1986)]。但是，由于普通压制石墨材料的结构一般比较疏松、强度较低，在电子束长期轰击下容易产生石墨微尘，致使收集极的绝缘性能难以保证。

[0007] 目前国内最新提出的方法是制造一种特殊的多级降压收集极材料、并对收集极材料表面进行处理，从而在收集极表面获得微米、亚微米级的微孔结构，可以显著降低收集极表面的二次电子发射系数。[参考文献：赵世柯，樊会明，肖东梅，邓峰，苏小保.一种多级降压收集极材料及其制备和表面处理方法；专利号：CN101964290A]。这种结构与经离子束表面改性技术处理后的表面结构有着类似的原理，都可降低表面的二次电子发射率，相比较与离子束表面改性技术，其工艺机理更简单，影响因素较少，处理控制难度较小。但是，这种方法反应过程中所用试剂较多，处理过程相对复杂，而且对收集极的材料要求更严格，需要对收集极材料进行特殊制造，在实际应用过程中，效果受到了一定的限制。三、发明内容

[0008] 本发明旨在提供一种以Cu为多级降压收集极的收集极表面处理方法，通过对Cu表面的处理，有效降低多级降压收集极电极二次电子发射系数，为高效率卫星行波管的研究提供一种技术支持。

[0009] 本发明的多级降压收集极无氧铜表面处理方法，是选择蒸馏水或乙醇作为溶剂，通过无氧铜与溶剂反应，从而在无氧铜表面形成一个具有高密度的微锥表面。

[0010] 本发明解决技术问题采用如下技术方案：

[0011] 本发明以Cu为多级降压收集极的收集极表面处理方法，其特征在于按以下步骤操作：

[0012] 以无氧铜为多级降压收集极，将所述收集极置于0.1-15MPa的高压反应釜中，以蒸馏水或乙醇为溶剂，溶剂的添加量至少使收集极浸没，然后高压反应釜在密封的状态下控制反应温度170-190℃反应至少12小时，反应结束后冷却至室温，依次经去离子水和无水乙醇洗涤并干燥后再置于管式炉中，在氢气气氛中于800-850℃退火处理从而在收集极材料表面获得微米、亚微米级微锥结构。

[0013] 所述无氧铜在表面处理前经蒸馏水和丙酮分别清洗。

[0014] 本发明表面处理过程中发生的化学反应如下：

[0015] 1、Cu+2H2O→Cu(OH)2+H2

[0016] Cu(OH)2→CuO+H2O

[0017] CuO+H2→Cu+H2O

[0018] 2、2CH3CH2OH+O2→2CH3CHO+2H2O

[0019] Cu+2H2O→Cu(OH)2+H2

[0020] CH3CHO+Cu(OH)2+OH-→CH3COO-+Cu2O+3H2O

[0021] 2Cu2O+O2→4CuO

[0022] CuO+H2→Cu+H2O

[0023] 本发明表面处理步骤如下：

[0024] 1、无氧铜分别经蒸馏水和丙酮清洗、去油；

[0025] 2、将清洗后的无氧铜材料放入23mL的高压反应釜中，并加入蒸馏水或乙醇作为溶剂，溶剂至少能浸没无氧铜；

[0026] 3、将高压反应釜旋紧密封，控制反应温度170-190℃保持12个小时；

[0027] 4、待反应完全后，自然冷却至室温，将铜片先后用去离子水和无水乙醇清洗三次，除去残留离子；

[0028] 5、50℃的烘箱中干燥；

[0029] 6、放入管式炉中在氢气气氛中于800-850℃退火处理。

[0030] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

[0031] 1、本发明方法与离子束表面改性技术相比，无需制备专门工艺设备，影响因素较少，处理控制过程难度较小。

[0032] 2、本发明方法与采用石墨为收集极相比较，克服了一般石墨材料结构比较疏松、强度较低的缺点，在使用过程中不会产生微尘，对收集极绝缘性能不会产生影响。

[0033] 3、本发明与同类处理方法相比较，处理过程简单，无需制备新的收集极材料，通过不同溶剂可控制表面形貌，所用原材料容易获取，对收集极材料无特殊要求，反应过程无污染，成本低廉。

[0034] 4、本发明处理后多级降压收集极Cu电极表面特征与经离子束表面改性处理的表面具有等同的抑制二次电子发射的效果。

[0035] 5、经本发明方法可以将多级降压收集极电极的二次电子发射系数由无氧铜材料的1.3降至0.9以下(垂直入射的最大值)，相应行波管的总效率也可提高2％以上。

[0036] 6、本发明可以在不降低其他性能指标的条件下将卫星行波管的总效率提高几个百分点，为卫星行波管的全面国产化提供强有力的技术支持。四、附图说明

[0037] 图1为未经腐蚀的光滑Cu表面。

[0038] 图2为以蒸馏水为溶剂处理后所得Cu表面形貌。经蒸馏水进行表面处理后，收集极表面形成棒状纳米无氧铜结构，直径100-200nm，长度0.5-1um。

[0039] 图3为以乙醇为溶剂处理后所得Cu表面形貌。经乙醇进行表面处理后，收集极表2
面形成薄片状的纳米无氧铜结构，厚度50-100nm，尺寸100*100nm。
五、具体实施方式

[0040] 本发明实施例中使用的水和乙醇皆为市售分析纯(AR)；选用无氧铜铜片厚1mm，2
尺寸8*8mm。

[0041] 实施例1：

[0042] 1、无氧铜分别经蒸馏水和丙酮清洗、去油；

[0043] 2、将清洗后的无氧铜材料放入23mL的高压反应釜中，并加入蒸馏水作为溶剂，溶剂至少能浸没无氧铜；

[0044] 3、将高压反应釜旋紧密封，控制反应温度180℃保持12个小时；

[0045] 4、待反应完全后，自然冷却至室温，将铜片先后用去离子水和无水乙醇清洗三次，除去残留离子；

[0046] 5、50℃的烘箱中干燥；

[0047] 6、放入管式炉中在氢气气氛中于800-850℃退火处理。

[0048] 经上述工艺表面处理后收集极的形貌如图2所示。经蒸馏水进行表面处理后，收集极表面形成棒状纳米无氧铜结构，直径100-200nm，长度0.5-1um。当入射电子轰击表面产生二次电子时，二次电子将与微锥发生多次碰撞而损失能量，最终被表面吸收，从而降低表面的二次电子发射率。

[0049] 实施例2：

[0050] 1、无氧铜分别经蒸馏水和丙酮清洗、去油；

[0051] 2、将清洗后的无氧铜材料放入23mL的高压反应釜中，并加入乙醇作为溶剂，溶剂至少能浸没无氧铜；

[0052] 3、将高压反应釜旋紧密封，控制反应温度180℃保持12个小时；

[0053] 4、待反应完全后，自然冷却至室温，将铜片先后用去离子水和无水乙醇清洗三次，除去残留离子；

[0054] 5、50℃的烘箱中干燥；

[0055] 6、放入管式炉中在氢气气氛中于800-850℃退火处理。

[0056] 经上述工艺表面处理后收集极的形貌如图3所示。经乙醇进行表面处理后，收集2
极表面形成薄片状的纳米无氧铜结构，厚度50-100nm，尺寸100*100nm。当入射电子轰击表面产生二次电子时，二次电子将与微锥发生多次碰撞而损失能量，最终被表面吸收，从而降低表面的二次电子发射率。