專利名稱：含鈧的復(fù)合稀土摻雜鎢基擴(kuò)散陰極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種含鈧的復(fù)合稀土摻雜鎢基擴(kuò)散陰極及其制備方法，屬于稀土難熔金屬陰極材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前微波真空器件中使用的主要是基于堿土金屬Ba的擴(kuò)散型熱電子發(fā)射陰極材料(鋇鎢陰極)，隨著器件性能的發(fā)展，需要發(fā)展一種具有低溫大發(fā)射特性的熱陰極材料，在鋇鎢陰極中引入Sc元素而發(fā)展起來的含鈧擴(kuò)散型陰極是最有可能滿足這種發(fā)展要求的熱電子發(fā)射材料。
到現(xiàn)在為止，已經(jīng)有多種類型的含鈧擴(kuò)散陰極問世，但是該種陰極仍存在一些問題，沒有獲得實(shí)際應(yīng)用。其中主要的問題是氧化鈧的價格昂貴導(dǎo)致陰極成本過高(高純氧化鈧價格一般為3-5萬元/千克)，如果采用添加其他氧化物替代部分氧化鈧，減少氧化鈧用量，并能獲得良好的發(fā)射性能，就會大大降低陰極成本，但是，目前未見有關(guān)此方面的研究報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種含鈧的復(fù)合稀土摻雜鎢基浸漬型擴(kuò)散陰極，它采用添加稀土氧化物(主要有氧化釔、氧化銪)替代部分氧化鈧，在獲得良好的發(fā)射性能的前提下，減少氧化鈧用量。
一種含鈧的復(fù)合稀土摻雜鎢基擴(kuò)散陰極，其特征在于含有稀土氧化物Y2O3和Sc2O3的復(fù)合組分或者稀土氧化物Eu2O3和Sc2O3的復(fù)合組分，其中所述稀土氧化物的復(fù)合組分占最終得到的摻雜鎢粉總質(zhì)量的3-10％，其中Sc2O3的質(zhì)量百分含量為1-3％，Y2O3或Eu2O3的質(zhì)量百分含量為2-7％，其余為鎢粉。
一種含鈧的復(fù)合稀土摻雜鎢基擴(kuò)散陰極的制備方法，其特征在于(1)以硝酸釔、硝酸鈧和偏鎢酸銨為原料，或者以硝酸銪、硝酸鈧和偏鎢酸銨為原料，將其分別溶于水中，加入檸檬酸溶液，然后混合，置于70-90℃水浴中形成溶膠，然后于100-140℃烘干形成凝膠，原料硝酸釔、硝酸鈧和偏鎢酸銨，或者原料硝酸銪、硝酸鈧和偏鎢酸銨的用量按最終獲得的摻雜鎢粉中稀土氧化物Y2O3和Sc2O3的復(fù)合組分或者稀土氧化物Eu2O3和Sc2O3的復(fù)合組分占最終獲得的摻雜鎢粉總質(zhì)量的3-10％，其中Sc2O3的質(zhì)量百分含量為1-3％，Y2O3或Eu2O3的質(zhì)量百分含量為2-7％進(jìn)行計(jì)算；(2)將此凝膠在500-550℃、大氣或氧氣氣氛下分解4-6小時，去除膠體中的C和N元素，將分解后的粉末在氫氣氣氛下進(jìn)行還原，分為兩步進(jìn)行，第一步為500-550℃保溫1-2小時，第二步還原溫度為800-950℃保溫1-2小時；(3)通過控制壓制壓力3.0-5.0t/cm2，在1450-1600℃燒結(jié)，獲得孔度在20-30％的燒結(jié)基體，然后在1650℃高溫下浸漬鋁酸鋇鈣鹽，得到含鈧的復(fù)合稀土摻雜鎢基擴(kuò)散陰極。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明一種含鈧的復(fù)合稀土摻雜鎢基擴(kuò)散陰極的電流密度電流密度高達(dá)近40A/cm2，遠(yuǎn)高于同溫度下鋇鎢陰極的電流密度，達(dá)到了器件對陰極電流密度的要求。同時，降低了Sc2O3含量，從而大大降低原料成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1Y2O3-Sc2O3(3％wt Y2O3，3％wt Sc2O3)摻雜的陰極(實(shí)施例1)在不同溫度時的發(fā)射曲線圖2Eu2O3-Sc2O3(3％wt Eu2O3，3％wt Sc2O3)摻雜的陰極(實(shí)施例3)在不同溫度時的發(fā)射曲線圖3Eu2O3-Sc2O3(7％wt Eu2O3，3％wt Sc2O3)摻雜的陰極(實(shí)施例4)在不同溫度時的發(fā)射曲線具體實(shí)施方式
實(shí)施例1將4.071克硝酸釔，4.333克硝酸鈧，51.423克偏鎢酸銨、60.000克檸檬酸分別溶于水中，然后將硝酸釔、硝酸鈧和檸檬酸溶液混合，再與偏鎢酸銨溶液混合，將此混合溶液于70℃水浴直至溶液變成溶膠。將膠體于120℃烘干，將粉末在大氣氣氛、550℃下分解4小時以除去膠體中的C和N元素。在氫氣還原爐中500℃保溫1小時，然后將溫度升至800℃保溫2小時。將獲得的摻雜Y2O3和Sc2O3(Y2O3含量為3％wt，Sc2O3含量為3％wt)的鎢粉在5.0t/cm2的壓力下模壓成型，1600℃燒結(jié)20分鐘制成ф3×1.5mm的多孔鎢基體，然后在1650℃下浸漬鋁酸鋇鈣鹽得到陰極。通過焊接裝配、排氣和激活處理后測試陰極的發(fā)射性能，見表1和圖1。
實(shí)施例2將2.187克硝酸釔，1.703克硝酸鈧，51.423克偏鎢酸銨、60.000克檸檬酸分別溶于水中，然后將硝酸釔、硝酸鈧和檸檬酸溶液混合，再與偏鎢酸銨溶液混合，將此混合溶液于90℃水浴直至溶液變成溶膠。將膠體于100℃烘干，將粉末在大氣氣氛、550℃下分解5小時以除去膠體中的C和N元素。在氫氣還原爐中550℃保溫2小時，然后將溫度升至900℃保溫1小時。將獲得的摻雜Y2O3和Sc2O3(Y2O3含量為2％wt，Sc2O3含量為1％wt)的鎢粉在4.0t/cm2的壓力下模壓成型，1600℃燒結(jié)20分鐘制成ф3×1.5mm的多孔鎢基體，然后在1650℃下浸漬鋁酸鋇鈣鹽得到陰極。通過焊接裝配、排氣和激活處理后測試陰極的發(fā)射性能，見表1。
實(shí)施例3將2.918克硝酸銪，4.333克硝酸鈧，51.423克偏鎢酸銨、60.000克檸檬酸分別溶于水中，然后將硝酸銪、硝酸鈧和檸檬酸溶液混合，再與偏鎢酸銨溶液混合，將此混合溶液于80℃水浴直至溶液變成溶膠。將膠體于140℃烘干，將粉末在大氣氣氛、500℃下分解6小時以除去膠體中的C和N元素。在氫氣還原爐中550℃保溫2小時，然后將溫度升至900℃保溫1小時。將獲得的摻雜Eu2O3和Sc2O3(Eu2O3含量為3％wt，Sc2O3含量為3％wt)的鎢粉在3.0t/cm2的壓力下模壓成型，1450℃燒結(jié)20分鐘制成ф3×1.5mm的多孔鎢基體，然后在1650℃下浸漬鋁酸鋇鈣鹽得到陰極。通過焊接裝配、排氣和激活處理后測試陰極的發(fā)射性能，見表1和圖2。
實(shí)施例4將7.411克硝酸銪，5.506克硝酸鈧，51.423克偏鎢酸銨、60.000克檸檬酸分別溶于水中，然后將硝酸銪、硝酸鈧和檸檬酸溶液混合，再與偏鎢酸銨溶液混合，將此混合溶液于80℃水浴直至溶液變成溶膠。將膠體于140℃烘干，將粉末在大氣氣氛、500℃下分解5小時以除去膠體中的C和N元素。在氫氣還原爐中500℃保溫2小時，然后將溫度升至950℃保溫1小時。將獲得的摻雜Eu2O3和Sc2O3(Eu2O3含量為3％wt，Sc2O3含量為3％wt)的鎢粉在3.0t/cm2的壓力下模壓成型，1500℃燒結(jié)20分鐘制成ф3×1.5mm的多孔鎢基體，然后在1650℃下浸漬鋁酸鋇鈣鹽得到陰極。通過焊接裝配、排氣和激活處理后測試陰極的發(fā)射性能，見表1和圖3。
表1的結(jié)果表明，Y2O3-Sc2O3(3％wt Y2O3，3％wt Sc2O3)復(fù)合稀土摻雜陰極的電流密度電流密度高達(dá)近40A/cm2，與添加5％Sc2O3的Sc2O3-W基陰極的發(fā)射能力相同。雖然Y2O3-Sc2O3復(fù)合稀土摻雜陰極的電流密度隨Sc2O3含量減少而降低，但其也遠(yuǎn)高于同溫度下鋇鎢陰極的電流密度，達(dá)到了器件對陰極電流密度的要求。同樣，Eu2O3-Sc2O3復(fù)合稀土摻雜陰極的電流密度隨Eu2O3含量提高而降低，但該值也遠(yuǎn)高于同溫度下鋇鎢陰極的電流密度，亦達(dá)到了器件對陰極電流密度的要求。如前所述，Sc2O3價格昂貴，降低Sc2O3含量將會大大降低原料成本，從而將具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
表1 復(fù)合稀土摻雜鎢基擴(kuò)散陰極和鋇鎢擴(kuò)散陰極的零場發(fā)射電流密度的比較
權(quán)利要求
1.一種含鈧的復(fù)合稀土摻雜鎢基擴(kuò)散陰極，其特征在于含有稀土氧化物Y2O3和Sc2O3的復(fù)合組分或者稀土氧化物Eu2O3和Sc2O3的復(fù)合組分，其中所述稀土氧化物的復(fù)合組分占最終得到的摻雜鎢粉總質(zhì)量的3-10％，其中Sc2O3的質(zhì)量百分含量為1-3％，Y2O3或Eu2O3的質(zhì)量百分含量為2-7％，其余為鎢粉。
2.一種含鈧的復(fù)合稀土摻雜鎢基擴(kuò)散陰極的制備方法，其特征在于(1)以硝酸釔、硝酸鈧和偏鎢酸銨為原料，或者以硝酸銪、硝酸鈧和偏鎢酸銨為原料，將其分別溶于水中，加入檸檬酸溶液，然后混合，置于70-90℃水浴中形成溶膠，然后于100-140℃烘干形成凝膠，原料硝酸釔、硝酸鈧和偏鎢酸銨，或者原料硝酸銪、硝酸鈧和偏鎢酸銨的用量按最終獲得的摻雜鎢粉中稀土氧化物Y2O3和Sc2O3的復(fù)合組分或者稀土氧化物Eu2O3和Sc2O3的復(fù)合組分占最終獲得的摻雜鎢粉總質(zhì)量的3-10％，其中Sc2O3的質(zhì)量百分含量為1-3％，Y2O3或Eu2O3的質(zhì)量百分含量為2-7％進(jìn)行計(jì)算；(2)將此凝膠在500-550C、大氣或氧氣氣氛下分解4-6小時，去除膠體中的C和N元素，將分解后的粉末在氫氣氣氛下進(jìn)行還原，分為兩步進(jìn)行，第一步為500-550℃保溫1-2小時，第二步還原溫度為800-950℃保溫1-2小時；(3)通過控制壓制壓力3.0-5.0t/cm2，在1450-1600℃燒結(jié)，獲得孔度在20-30％的燒結(jié)基體，然后在1650℃高溫下浸漬鋁酸鋇鈣鹽，得到含鈧的復(fù)合稀土摻雜鎢基擴(kuò)散陰極。
全文摘要
一種含鈧的復(fù)合稀土摻雜鎢基擴(kuò)散陰極及其制備方法，屬于稀土難熔金屬陰極材料技術(shù)領(lǐng)域。含鈧擴(kuò)散陰極是一種具有低溫大發(fā)射特性的熱陰極材料，但是氧化鈧價格昂貴，導(dǎo)致陰極成本過高，因此沒有獲得實(shí)際應(yīng)用。本發(fā)明一種含鈧的復(fù)合稀土摻雜鎢基擴(kuò)散陰極，含有稀土氧化物Y
文檔編號H01J9/02GK1889221SQ20061008974
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月14日
發(fā)明者王金淑, 劉偉, 周美玲, 王亦曼, 高濤, 李莉莉 申請人:北京工業(yè)大學(xué)