高效阴极组件

摘要

本发明高效阴极组件涉及微波器件技术领域，是一种热效率高的阴极组件，该组件是利用热导率非常低的金属钛做阴极的支撑筒，从而降低了阴极的热导耗散功率，提高了阴极的热效率。

权利要求

1.一种阴极组件，包括阴极、阴极筒、阴极支撑筒、热子，阴极由阴极表面和阴极基底组成，在阴极筒与热子之间填充有氧化铝，其特征在于，在阴极支撑筒外围设有筒状的阴极热屏，使阴极支撑筒和阴极热屏构成二层热屏结构，阴极支撑筒和阴极热屏是由金属钛箔制作；

所述阴极基底、阴极筒、阴极支撑筒之间的焊接，采用钨-钴高温焊料，焊料的熔点为1550℃。

2.如权利要求1所述的阴极组件，其特征在于，还包括一挡板，设于阴极基底与热子组件之间，这样既避免了由于发射物质中的金属钡在1000℃与氧化铝反应而造成热子的短路，另一方面又避免了在制备热子过程中对阴极基底造成污染而影响阴极的发射水平。

说明书

技术领域

本发明高效阴极组件涉及微波器件技术领域，是一种热效率高的阴极组件。

背景技术

空间行波管是星载转发器和星载合成孔径雷达发射机的关键部件，主要起微波功率末级放大作用，它具有频带宽、增益高、效率高、功率大等特点。随着行波管在卫星通讯等领域的广泛应用，对行波管的要求越来越高，如：脉冲行波管向高功率、大工作比、长寿命、高可靠发展。因此，作为行波管心脏的阴极，同样也需要进一步提高，要求电流密度更大，阴极工作温度低，寿命提高，从而保证行波管稳定可靠工作。传统氧化物阴极已不能满足这些要求，覆膜阴极具有电子发射大、寿命长、耐电子轰击等特点，因此它是微波器件，特别是行波管的主要电子源。但是由于覆膜阴极的工作温度高，因而加热功率大，对于空间行波管来说，由于电源功率的限制，对阴极效率提出了非常高的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效阴极组件，其可提高行波管覆膜阴极加热效率，提高阴极发射水平，使其在尽可能低的加热功率下，达到行波管对阴极的发射要求。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种高效阴极组件，由阴极、阴极筒、阴极支撑筒、热子组成，阴极包括阴极表面和阴极基底，在阴极筒与热子之间填充有氧化铝，其在阴极支撑筒外围设有筒状的阴极热屏，使阴极支撑筒和阴极热屏构成二层热屏结构，阴极支撑筒和阴极热屏是由金属钛箔材料制作。
所述的高效阴极组件，其还包括一挡板，设于阴极基底与热子组件之间，这样既避免了由于发射物质中的金属钡在1000℃左右与氧化铝反应而造成热子的短路，另一方面又避免了在制备热子过程中对阴极基底造成污染而影响阴极的发射水平。
所述的高效阴极组件，其所述热子中的加热体为钨铼合金丝，其中铼的含量为25％左右。
所述的高效阴极组件，其所述阴极基底、阴极筒、阴极支撑筒之间的焊接，采用钨-钴高温焊料，焊料的熔点为1550℃。

附图说明

图1为本发明高效阴极组件的结构示意图；
图2为不同材料不同厚度阴极支撑筒的阴极-热子组件的加热功率与阴极温度的关系曲线图。

具体实施方式

阴极组件的结构如图1所示，基本为常规结构，由阴极、阴极筒3、阴极支撑筒4、阴极热屏5、挡板6、热子8组成，阴极包括阴极表面1和阴极基底2，在阴极筒3与热子8之间填充有氧化铝7，在阴极支撑筒4外围设有筒状的阴极热屏5，使阴极支撑筒4和阴极热屏5构成二层热屏结构。
热子8采用热子组件结构，热子组件就是将加热体(一般是W丝或W-Re丝)埋在绝缘介质中(一般为Al2O3)，这样一方面避免了振动等造成的热子短路，提高了热子8的可靠性，另一方面由于热子8加热阴极的方式由热辐射给热变成为热传导给热，这样就使热子8与阴极之间的温度差从500℃-600℃降到100℃-200℃，从而降低了热子8的工作温度，提高了热子8的加热效率，避免了由于热子8温度过高而造成的热子8比阴极更先损坏的弊端。因此，现在被越来越广泛的使用。我们所用的热丝是含25％铼的钨铼合金丝，这种丝与纯钨丝相比，具有延展性好、强度大、再结晶温度高、抗腐蚀性能变好比电阻增大等特点。
为了防止多孔钨阴极基底2中的发射物质向热子组件中渗透而造成短路，在阴极基底2与热子组件之间加一隔板6隔开，这样一方面避免了由于发射物质中的金属钡在1000℃左右与氧化铝7反应而造成热子8的短路，另一方面又避免了在制备热子8过程中对阴极基底2造成污染而影响阴极的发射水平。该隔板6的结构，已在其他专利中涉及，申请号为200410070108.4，可参照实施。但这样将会降低阴极的热效率，因此，必须使钨海绵阴极基底2与阴极筒3之间接触良好。为了提高阴极的热效率，我们用一种金属焊料将阴极筒3与支撑筒4焊接在一起，这样一方面避免了阴极饼与阴极筒3之间存在间隙，造成阴极热效率下降。另一方面又使阴极基底2与阴极筒3之间的结合力大大提高，从而增加阴极的耐冲击性能，但这种焊料必须同时具备以下几个特点：第一，它必须与阴极基底2和支撑筒4都浸润，这样才能保证焊接牢固。第二，它的熔点必须低于阴极基底2中发射物质的熔点温度(发射物质的熔点一般1600℃左右)，否则在焊接过程中造成发射物质的蒸发。第三，它的溶点温度必须远高于阴极正常工作温度(阴极工作温度一般低于1100℃)否则在阴极工作过程中造成焊料的蒸发，进而造成阴极基底2与支撑筒4之间的结合力下降，以及影响微波器件的性能。我们采用自己研制的钨-钴高温焊料，焊料的熔点为1550℃，该钨-钴高温焊料已在其他专利中涉及，申请号为200410038291.x，可参照实施。
为提高加热效率，采用二层热屏，其中最里面一层既是热屏，又是阴极支撑筒4，阴极向外散热的途径主要是阴极面1、阴极筒3、热子组件后端面的热辐射及通过阴极支撑筒4的热传导，其中通过支撑筒4向外传导的耗散功率为：
P＝(2πrtδΔT)/l    (1)
式中：δ为支撑材料的导热系数
r为支撑筒的半径，t为支撑筒的厚度
ΔT为阴极支撑带两端的温度差
l为阴极支撑带长度
从公式(1)可看出阴极支撑4筒材料的性质和几何形状对阴极的热效率将起到十分重要的作用，应选取热导率小的，且尽可能薄的材料作阴极支撑筒4。现在一般选取钽做热屏材料。钽具有较高的熔点，较低的线膨胀系数，在高温时具有很低的蒸汽压、较低的热导率，另外它的机械加工性能良好，能加工成非常薄的箔，钽在700℃以上时，具有良好的吸气能力，因此在阴极工作过程中能吸收有害气体，从而使阴极附近具有较高的真空度。我们选取一种新的材料钛作为第一层热屏(即阴极支撑筒4)材料，钛除了具有以上钽所具有的优点外，它与钽相比，还具有更低的热导率(约为钽的五分之一)和更强的吸气能力。图2给出了不同材料不同厚度阴极支撑筒4的阴极-热子组件的加热功率与阴极温度的关系。
从图2中可以看出，在950℃的工作温度下，阴极采用厚0.03mm钛做支撑筒4时其加热功率比采用厚0.03mm钽和0.05mm钽做支撑筒4时分别下降了0.3W和0.7W，这一结果比俄罗斯进口阴极低0.4W左右，目前采用0.03mm钛支撑筒4的阴极组件在1150℃的高温下已连续工作了1000小时。