復合稀土—鉬金屬陶瓷陰極材料的研究與應用.pdf

1、本文利用我國富有的稀土和鉬資源，制備了可替代有放射性污染的釷-鎢陰極作為磁控管陰極的復合稀土氧化物-鉬(RE2O3-Mo)陰極材料。利用高分辨透射/掃描電子顯微、X-射線能譜、高溫XPS等先進分析方法，深入研究了復合稀土氧化物-鉬(RE2O3-Mo)陰極材料的結(jié)構(gòu)、顯微組織、激活過程中活性元素變化，為該陰極制備工藝的進一步改進和實際應用提供了理論依據(jù)和實驗指導。 制備含量大于15％的稀土氧化物-鉬粉時宜用稀土硝酸鹽和MoO2為原

2、料實施液-固摻雜，在還原前必須增加單獨分解的工序，然后按MoO3的兩段還原工藝進行還原處理。還原后的20％wt三元稀土氧化物(Y2O3：La2O3：Gd2O3=3：1：1)-鉬粉呈球狀、均勻，50％的粉末粒度可達到納米級。 采用常規(guī)燒結(jié)工藝制備的三元復合稀土氧化物-鉬次級發(fā)射體在降低稀土氧化物總含量情況下，其最大次級發(fā)射系數(shù)仍高于單元稀土氧化物-鉬次級發(fā)射體。采用SPS方法制備的20％wt三元稀土氧化物(Y2O3：La2O3：G

3、d2O3=3：1：1)-鉬陰極材料的晶粒比常規(guī)燒結(jié)的明顯細化。最大次級發(fā)射系數(shù)達2.80，比CIP-S燒結(jié)體的最大次級發(fā)射系數(shù)提高了14.29％，但相應的最佳激活溫度提高了200℃。該陰極材料在高溫激活過程中燒結(jié)體內(nèi)的稀土氧化物將向材料的表面富集，在表面形成的網(wǎng)狀覆蓋層，層厚度可達2μm。由于快速燒結(jié)的時間短，保留在燒結(jié)體中的氧原子在高溫激活過程中將向表面擴散，使表層的鉬氧化，氧化物蒸發(fā)產(chǎn)生的孔洞將使次級發(fā)射的有效面積減少，使次級發(fā)射系

4、數(shù)降低。 在RE2O3含量為20％wt的三元稀土氧化物-鉬陰極材料中加入微量的錸(0.5％wt)，可使其最大次級發(fā)射系數(shù)提高8％，達到2.65，相應的最佳激活溫度降至1200℃。對復合稀土氧化物-鉬系列陰極材料進行了原位暴露大氣實驗，結(jié)果表明復合稀土氧化物-鉬系列陰極具有暴露大氣后可重新激活的工藝特性。 對(30％wt)二元稀土氧化物(La2O3：Y2O3=1：3)-鉬金屬陶瓷陰極耐電子轟擊試驗管進行了剖析。具有穩(wěn)定發(fā)射

5、的陰極表面，存在著一定厚度的稀土氧化物富集層，在富集層上彌散分布著大量的La2O3、Y2O3活性納米粒子，該陰極具有高的最大次級發(fā)射系數(shù)應與表面稀土氧化物的富集量和活性納米粒子的彌散分布量有關。 本文首次利用高分辨透射電鏡證實了稀土氧化物含量為20％wt(Y2O3：La2O3：Gd2O3=3：1：1)的三元復合稀土氧化物-鉬燒結(jié)體中La3+離子以代位形式置換了 (Gd0.745Y1.59)O3或(Gd1.26Y0.74)

6、O3中的部分Y3+離子形成了有序的代位化合物。這種新的復合稀土氧化物的結(jié)構(gòu)仍為體心立方。La的代位造成了位錯等微觀缺陷的產(chǎn)生。稀土氧化物有兩種存在形式。一種是以微米形式與金屬鉬相間分布，另一種是以納米粒子的形式分布于金屬鉬的基體中。鉬與復合稀土氧化物的界面高分辨晶格像表明兩者結(jié)合良好，有利于稀土元素的界面擴散遷移，提供足夠的陰極表面的活性物質(zhì)，補償陰極表面上活性物質(zhì)的損耗。 對含量為25％wt的單元稀土氧化物Y2O3-Mo和含量

7、為20％wt的三元稀土氧化物-鉬(Y2O3：La2O3：Gd2O3=3：1：1)陰極材料的片狀樣品進行了原位高溫XPS試驗，證實了激活過程中Y2O3和La2O3中的晶格氧的分離，形成缺氧型LaOx和YOx(x＜3/2)納米粒子。本文運用氧化物陰極的半導體理論對稀土氧化物-鉬陰極的次級發(fā)射現(xiàn)象進行了分析，同時認為表面缺氧型稀土氧化物納米粒子對次級發(fā)射起了促進作用。即在激活好的陰極表面存在著缺氧型活性的稀土氧化物納米粒子(LaOx、YOx等

8、(x＜3/2))，它們的量對次級發(fā)射系數(shù)提高起重要作用。發(fā)射電子后的納米粒子對基體表面形成正向朝外的偶電場，促進了二次電子向體外的加速運動，降低了基體近表面氧化物薄層的勢壘，有益于二次電子向表面的逸出。復合稀土氧化物-鉬陰極中兩相均通過上述機理參與次級發(fā)射，微米級稀土氧化物和鉬基中分布的納米級稀土氧化物都是表面活性物質(zhì)的補充源。 成功地將20％RE2O3(Y2O3：La2O3：Gd2O3=3：1：1)-Mo陰極材料應用于2055