3国家 “七五” 科技攻关项目资助课题 1997年7月25日收到原稿, 1997年9月26日收到修改稿 林祖伦,男, 1950年8月出生,高级工程师射频电子枪中L aB6阴极的研究林祖伦(电子科技大学光电子技术系,成都610054)摘 要 一种用于射频电子枪中的L aB6热阴极已经研制成功 分别研究了(100)、(110)、(111)晶向L aB6单晶的热发射特性 选用(100)晶向的L aB6单晶材料作为发射体并用铼做基底材料 试验表明,在1823K工作条件下,其热发射电流密度达到30A?cm2;在真空条件为5×10- 5Pa下,寿命已达10000小时以上 在室温下反复多次暴露大气后,其发射性能保持不变关键词 L aB6热阴极 逸出功近年来,在自由电子激光研究中,光阴极电子枪取得了很大进展 由于其束流特性好,逐渐 在高亮度加速器中获得应用 但是,它对真空环境条件的要求十分苛刻,而且寿命很短,这给推广应用带来许多困难 在自由电子激光研究中,射频加速器需要一种电流发射能力强、 束流品 质好的电子源,以获得较高的亮度 一般的热阴极发射体,由于工作温度高、 发射电流密度小、发射度大而不能提供高品质的电子束。
L aB6热阴极电子发射体具有工作温度较低(1773～1873K)、 发射电流密度大、 发射度较低、 蒸发率低、 寿命长、 使用方便等诸多优点,是一种用于 射频电子枪中的理想电子源L aB6是一种稀土硼化物,与常用阴极相比,除了在低温时(850℃)氧化钡的发射电流密度超过L aB6以外,在大电流密度范围内,L aB6的热发射性能优于现有的所有常用难熔热电子发射材料 图1表示了常用阴极材料和L aB6的电子发射与温度的函数关系在L aB6晶体中,L a原子构成简单的立方晶格,体积小的B原子形成三维框架将体积大的L a原子包围在框架中 立方体的每一个顶点上都有一个由B原子框架形成的八面体,八面体 又以顶点互相连接 每个B原子与5个B原子相邻, 4个在自身的八面体内,另一个位于立方体主轴之一的方向上,因此给出了配位数为5的同极晶格结构 从电子结构来看,可以认为B原 子间形成共价键,L a原子与周围的B原子间没有价键关系B原子形成键时,不足电子数由金属L a原子供给,L a的价电子数为3,参与成键的电子数为2,因此,晶体中有自由电子存在 这就使得L aB6具有金属的导电性和导热性,而且与金属一样,电阻率的温度系数为正值。
硼原子之间的强大键合力导致了L aB6具有非金属难熔化合物的特点:熔点高、 硬度大、 化学稳定性好、 蒸发率低 图2给出了常用热阴极材料和L aB6的蒸发率与发射电流密度的关系L aB6的化学性质十分稳定,在室温下只与硝酸和王水作用,不怕水蒸汽和氧气的作用,在600℃时,氧气才会使它们氧化 在真空中,L aB6与残余气体高温反应下,生成的化合物的熔点都较低 在工作温度下,这些生成物又不断蒸发,使几乎纯净的L aB6低逸出功面暴露在发射面第9卷 第4期强激光与粒子束Vol . 9,No. 4 1997年11月H IGH POW ER LA SER AND PART ICL E BEAM SNov. 9, 1997 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.Fig. 1 Electron em ission of some common cathodematerials and lanthanum boride plottedas a function of the temperature图1 常用阴极材料和硼化镧的电子发射与温度的关系Fig. 2 Electron em ission density of some commoncathode materials and L aB6plottedas a function of the evaporation图2 常用阴极材料和LaB6的蒸发率与发射电流密度的关系上,这就使得L aB6抗中毒能力特别强,使用寿命长,直到发射体消耗变形为止。
L aB6的主要特性如下:颜色: 紫红 晶格常数a0?0. 1nm: 4. 15熔点? ℃: 2210 密度?gıcm3:4. 76热膨胀系数?K- 1: 419×10- 6 比电阻? Λ8ıcm: 15(293K), 130(1973K)逸出功?eV: 2. 4～3. 0 蒸发率?gcm- 2s- 1:0. 85发射电流密度?A cm- 2:≥65(1923K) 辐射系数: 1. 536×10- 6(1993K)但是,L aB6有一个致命的弱点 在高温下几乎与所有难熔金属(W ,M o, Ta等)要发生化学反应 这是由于在高温下,体积小的B原子要向这些基金属晶格中扩散,形成填隙式化合物,致使B的三维框架崩溃,L a原子蒸发,使L aB6“中毒” 另一方面,由于B原子侵入到支撑金属中,金属被腐蚀变脆,形成所谓的 “硼脆病”,导致阴极毁坏 石墨和难熔金属的碳化物与L aB6接触,在高温下能阻止硼的扩散,能保证阴极长时间稳定正常工作1 L aB6的热电子发射特性L aB6体内有自由电子存在,具有金属的特性,根据纯金属自由电子模型,其热发射电流密度满足R ichardson公式J0=A T2 cexp (-5? ∗ 3c)(1)式中,J0是零场发射电流密度;A是R ichardson常数;Tc是阴极表面温度;5 是阴极表面的逸出功;K是Boltzman常数。
由公式可知,J0主要取决于两个参量:5 和TcTc由使用条件所决定,在Tc一定的条件下,J0取决于 5在阴极表面处于加速场下,根据Schottky效应,外加电场会大大降低阴极表面电场,使阴极的有效逸出功降低,其有效减小量与场强Ec的关系为295强激光与粒子束第9卷© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.-∃5=e(KeEc)1?2+ 3179×10- 4E1?2 c(2)式中,Ec是外加电场绝对值的大小,单位V?cm;∃5 的单位是eV 于是,加速场下的发射电流 密度为J=J0exp (414E1?2 c?Tc)(3)式中,J是发射电流密度对于射频电子枪,阴极表面电场强度为[1]Ec=EmaxsinΗ(4)式中,Η是射频场的相位;Emax是阴极表面最大电场强度 阴极发射电流密度与温度和加速电场强度的关系如图3所示Fig. 3 The electron beam current density of L aB6versus cathode temperature(RF gun)图3 LaB6电流发射密度与阴极温度的关系(RF枪)Fig. 4 Scheme of the L aB6cathode图4 LaB6阴极结构原理图2 L aB6阴极的设计与制作射频电子枪中的L aB6阴极必须满足如下要求: 1)发射电流密度大; 2)发射电流稳定; 3)阴极寿命较长。
由热电子发射公式可知,逸出功越低,则发射电流密度越大 根据热发射测试结果,L aB6各主要晶面功函数增加的顺序是(100) < (110) < (111),功函数的范围在2141～2190eV之间 俄歇电子光谱学(A ES)研究表明[2],随着表面L a原子密度增加,功函数降低 这刚好与单一金属的功函数晶向关系相反,在单一金属下,随着晶面上金属原子浓度的增大,功函数也增大 对于L aB6的低功函数(100)晶面,在1600～1700K温度下,可获得10A?cm2的发射电流密度,在这一电流密度下,蒸发率仅约每年1Λm;在1923K温度下,其发射电流密度可达65A?cm2以上 因此,作为热发射体, (100)晶面的L aB6具有十分可取的优点由于高温下L aB6要与支撑它的难熔金属(W、M o、Ta等)发生热化学反应,这给阴极的制作带来很大的困难,虽然石墨不与L aB6发生热反应,但由于受到加热结构等限制,故不能用于研究中 金属铼具有六角密排结晶结构,它不容许碳化物和硼化物在它上面形成 由于硼原子不能发生间隙扩散,因此,对于L aB6阴极来说,铼是一种良好的基本材料 另外,由于铼具有高395第4期林祖伦等:射频电子枪中L aB6阴极的研究© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.达3452K的熔点和低的蒸气压,故不会对阴极产生污染。
Fig. 5 L aB6cathode temperatureversus filament power图5 LaB6阴极温度与热丝功率的关系Fig. 6 Scheme of the test diode图6 试验二极管原理图Fig. 7 Electron em it characterisitic of L aB6(100)、(110)、(111)crystal orientations图7 LaB6(100)、(110)、(111)晶面的电子发射特性制备阴极时,将所生长的L aB6单晶为(111)取向、 直径为6mm、 长为50mm的棒状单晶,用装有X射线定向头的切割机进行加工,晶面取向误差小于015度,所得发射体的尺寸为53mm×1mm ,用金刚砂进行抛磨和多次酸洗, 最后用去离子水冲洗干净,再经多次表面处理 将做好的发射体嵌入特殊处理过的Re管内, 用钨螺旋灯丝在真空中将L aB6加热至1970K,4小时,发射体呈紫红色 阴极结构如图4所示 灯丝由直流稳压电源加热,通过热辐射与L aB6 发射体和阴极套管交换热量,使L aB6发射体表 面加热至1820K左右,用光学高温计直接测量 阴极温度。
在热平衡下,灯丝加热功率等于L aB6发射体、 热屏蔽套管和灯丝引线传走的热功率之和,即Pf=PLaB6+PHeat Shield+Pconduct 由 于这种L aB6阴极加热结构十分复杂,故加热功 率直接由实验确定在动态真空试验台上测得的阴极表面温度与灯丝加热功率的关系如图5所示3 实验结果为了测得各晶面的热电子发射性能,考虑到直流测试时阳极耗散功率密度太大,专门设计 了一种带强迫水冷的阳极装置的实验二极管,它的阳极耗散功率密度可达62kW?cm2,可测得 工作于1923K下的L aB6阴极的饱和发射电流 实验装置的原理如图6所示495强激光与粒子束第9卷© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.测试样品的尺寸为015cm×015cm×2cm 制备好的单晶,除发射面外,其余各面用Re箔 屏蔽,以减少测试误差 用两块热解石墨夹持样品进行加热,阴极温度用光学高温计测试,误差 在±10K以内 测试结果如图7所示 这种RF枪的L aB6阴极寿命主要取决于阴极材料的蒸 发,而材料的蒸发又由阴极工作温度和环境真空度所确定。
L aB6单晶的蒸发度V由下式给出V= 4×1014exp [-(570×103?R T) ],Λm?h 式中,R为气体常数;T为热力学温度 由此可以估算,在环境真空为5×10- 5Pa、 工作于1823K下,这种RF枪的阴极寿命可达20, 000小时以上 经试验证明,在经过10, 000小时的使用后,阴 极厚度仅消耗200Λm左右将该阴极装入1+ (1?2)射频腔中,进行出束试验,测得:微波频率f= 2997. 75 M Hz;微波 功率PRf= 1. 1 MW ;阴极加热功率(不包括电子反轰)Pf= 20～40 W ;宏脉冲平均电流I=800mA3 结束语根据RF枪电子。