一种用于空间探测仪器的阴极及其制备方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111446140 A(43)申请公布日 2020.07.24

(21)申请号 202010343469.0(22)申请日 2020.04.27

(71)申请人 中国科学院国家空间科学中心

地址 100190 北京市海淀区中关村南二条1

号(72)发明人 李永平　李佳　王玉洁　王馨悦　

郑晓亮　(74)专利代理机构 北京方安思达知识产权代理

有限公司 11472

代理人 陈琳琳　刘振(51)Int.Cl.

H01J 1/146(2006.01)H01J 1/144(2006.01)H01J 9/04(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图2页

()发明名称

一种用于空间探测仪器的阴极及其制备方法

(57)摘要

本发明涉及空间探测仪器技术领域，具体地涉及一种用于空间探测仪器的阴极及其制备方法，所述阴极的原材料包括：阴极基金属和氧化物薄膜，其中，氧化物薄膜涂覆在阴极基金属表面，氧化物薄膜的厚度不超过阴极基金属的直径；制备方法，包括以下步骤：1)阴极涂覆；2)阴极加热；3)阴极激活。本发明用于空间探测仪器的的阴极可用于空间电离规、压力计和其它类型的离子源，具有功耗低、可靠性高、体积小、发射能力强等特点。

CN 111446140 ACN 111446140 A

权　利　要　求　书

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1.一种用于空间探测仪器的阴极，其特征在于，所述阴极的原材料包括：阴极基金属和氧化物薄膜，其中，氧化物薄膜涂覆在阴极基金属表面，氧化物薄膜的厚度不超过阴极基金属的直径。

2.根据权利要求1所述的用于空间探测仪器的阴极，其特征在于，所述阴极基金属包括钨、铼钨、铱或钡中的一种。

3.根据权利要求1所述的用于空间探测仪器的阴极，其特征在于，所述阴极基金属的直径为Φ20um-300um，阴极基金属的长度为：2-80mm。

4.根据权利要求1所述的用于空间探测仪器的阴极，其特征在于，所述氧化物薄膜包括氧化钍、氧化钇或氧化钡中的一种。

5.根据权利要求1所述的用于空间探测仪器的阴极，其特征在于，所述氧化物薄膜的厚度为2um-50um。

6.一种权利要求1所述用于空间探测仪器的阴极的制备方法，包括以下步骤：1)阴极涂覆：将阴极基金属清洗后，在表面涂覆氧化物薄膜；2)阴极加热：将阴极基金属及氧化物薄膜进行真空加热并除气；3)阴极激活：在阴极基金属上施加电流进行真空加热，得到用于空间探测仪器的阴极。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2)中加热为：在温度200-400℃，真空度不高于1E-4Pa下加热2-4小时。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3)中加热为：在温度900-1300℃，真空度不高于1E-4Pa下加热1-2小时。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3)中电流大小为500-600mA。

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一种用于空间探测仪器的阴极及其制备方法

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技术领域

[0001]本发明涉及空间探测仪器技术领域，具体地涉及一种用于空间探测仪器的阴极及其制备方法。

背景技术

[0002]地球热层大气是空间环境的重要组成部分，受太阳活动、地磁扰动、经度纬度高度等因素影响，热层大气变化十分剧烈，国内外均正在开展相关探测，而电离规、离子源和压力计等是常用的探测仪器。在上述仪器中均用到了阴极，阴极是传感器的部组件，用于发射一定能量的电子，用电子轰击中性气体，使中性气体电离，产生离子和电子，产生的离子与中性气体成正比，从而获得压力数据。因此阴极是该类型仪器的重要部件。[0003]而现有阴极为纯金属阴极，存在如下特点：直径较大，一般都在500um以上，发射同样数量的电子所需要功率较大，高达数十瓦，需要卫星提供较大的功率；结构脆弱，比如螺旋状和“Z”字型，不利于在振动环境下使用，导致过早失效；纯金属逸出功较高，蒸发率大，寿命很短。现有阴极无法适用于星载空间探测仪器，存在功耗大、寿命短以及可靠性差等缺点。

发明内容

[0004]本发明的目的在于克服上述问题，提供一种用于空间探测仪器的阴极及其制备方法。通过阴极材料的选择，以及选用合理阴极制作工艺，使所制作的阴极具有功耗低、可靠性高、体积小、发射能力强等特点，非常适合卫星载荷使用。[0005]为达到上述目的，本发明的阴极是一种热阴极，提供一种用于空间探测仪器的阴极，所述阴极的原材料包括：阴极基金属和氧化物薄膜，其中，氧化物薄膜涂覆在阴极基金属表面，氧化物薄膜的厚度不超过阴极基金属的直径，氧化物薄膜的长度不超过阴极基金属的长度。

[0006]作为优选，所述阴极基金属的材料包括钨、铼钨、铱或钡中的一种。[0007]作为优选，所述阴极基金属的直径为Φ20um-300um，阴极基金属的长度为：2-80mm。

[0008]作为优选，所述氧化物薄膜包括氧化钍、氧化钇或氧化钡中的一种。[0009]作为优选，所述氧化物薄膜的厚度为2um-50um。

[0010]本发明提供一种用于空间探测仪器的阴极的制备方法，包括以下步骤：[0011]1)阴极涂覆：将阴极基金属清洗后，将氧化物薄膜涂覆在阴极基金属表面；[0012]2)阴极加热：将氧化物薄膜涂覆在阴极基金属上后，放入圆形恒温真空加热腔体中进行加热并除气，采用真空恒温法使薄膜四周加热温度偏差控制在1℃之内，使氧化物薄膜受热均匀，牢固地吸附在阴极基金属四周，形成良好的抗振动性能；[0013]3)阴极激活：阴极加热后，将组件放入真空腔体内，在阴极基金属上施加电流进行加热，电流偏差控制在10mA，使氧化物中的金属原子在恒定加热电流控制下，持续不断地析

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出到表面，形成了表面金属原子层，降低阴极的整体逸出功，使其工作功率降低，蒸发率减小，提高了寿命和可靠性，最终得到用于空间探测仪器的阴极。[0014]作为优选，步骤2)中加热为：在温度为200-400℃，真空度不高于1E-4Pa下加热2-4小时；

[0015]步骤2)的加热腔体为本领域公知的烘烤装置的加热腔体。[0016]作为优选，步骤3)中加热为：在温度为900-1300℃，真空度不高于1E-4Pa下加热1-2小时。

[0017]作为优选，步骤3)中电流大小为500-600mA。

[0018]步骤3)的真空腔体为本领域公知的真空装置的真空腔体。[0019]与现有技术相比，本发明的优势在于：[0020]1、研制的阴极可用于空间电离规、压力计和其它类型的离子源，具有逸出功低、功耗低、可靠性高、体积小、发射能力强等特点。[0021]2、通过此种方法制作的阴极，其工作时间可达数万小时，功率小于1W，发射能力可达数安培每平方厘米，非常适合星载空间探测器。[0022]3、本发明制作的阴极，氧化物薄膜与基金属具有很好的粘合性，能很好抵抗火箭卫星在发射过程中的冲击、正弦和随机等力学振动，使阴极保持正常状态。而本领域现有的阴极无法承受此力学条件，会被直接振散。[0023]4、在真空下高温加热及激活，利于氧化物薄膜收缩紧致，形成良好的结合力和致密性，提高发射能力和降低逸出功。附图说明

[0024]图1为本发明阴极的结构示意图；[0025]图2为本发明阴极的安装示意图；

[0026]图3为本发明实施例1的阴极的结构示意图；[0027]图4为本发明实施例2的阴极的结构示意图；[0028]图5为本发明实施例3的阴极的结构示意图；[0029]附图标记：[0030]1、阴极基金属，2、氧化物薄膜，3、安装支架，4、钨基金属，5、氧化钍薄膜，6、铱基金属，7、氧化钇薄膜。具体实施方式

[0031]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。[0032]一种用于空间探测仪器的阴极的制备方法，包括以下步骤：[0033]1)阴极组装：将阴极基金属安装在安装支架上，固定阴极基金属，同时形成两端电极，如图1；

[0034]2)阴极涂覆：将阴极基金属通过超声清洗后，清除表面杂质，利于氧化物薄膜的结合；利用表面涂覆仪，将氧化物薄膜涂覆在阴极基金属表面，采用旋转涂覆法，形成一层均匀致密的薄膜，使薄膜与基金属受力均匀，使之与阴极基金属表面完全贴合固化，增加抗力学强度；

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3)阴极加热：将氧化物薄膜涂覆在阴极基金属上后，放入加热腔体中进行加热，在

温度200-400℃，真空度不高于1E-4Pa下加热2-4小时，并抽真空除气，采用恒温法使薄膜四周加热温度偏差控制在1℃之内，使氧化物薄膜受热均匀，牢固地吸附在阴极基金属四周，形成良好的抗振动性能；[0036]4)阴极激活：通过套筒在阴极基金属上施加500-600mA电流，电流偏差控制在10mA，对阴极基金属进行加热，使阴极基金属加热后对表面氧化物薄膜进行加热，在温度900-1300℃，真空度不高于1E-4Pa下加热1-2小时，使表面氧化物薄膜形成致密的金属层，最终得到用于空间探测仪器的阴极，如图2；[0037]通过此种方法制备的阴极，其工作时间可达数万小时，功率小于1W，发射能力可达数安培每平方厘米，抗发射过程中的振动，非常适合星载探测器，比以往数千小时、几十瓦功率、发射能力仅有不高于1安培每平方厘米的阴极，性能有了很大的提高。[0038]实施例1

[0039]1)阴极组装：将直径为0.3mm钨基金属安装在安装支架上，固定钨基金属，同时形成两端电极；

[0040]2)阴极涂覆：将钨基金属通过超声清洗后，清除表面杂质后，在钨基金属表面涂覆厚度为0.05mm氧化钍薄膜，使之与钨基金属表面完全贴合固化；[0041]3)阴极加热：将氧化钍薄膜涂覆在钨基金属上后，放入加热腔体中进行加热，在400℃，真空度5*10-5Pa下持续加热2小时，并抽真空除气；[0042]4)阴极激活：通过套筒在钨基金属上施加600mA电流，电流偏差控制在10mA，对钨基金属进行加热，在1300℃，真空度5*10-5Pa下，持续加热1小时，使表面氧化钍薄膜形成致密的金属层，最终得到长度为18mm用于空间探测仪器的阴极，如图3所示。[0043]实施例2

[0044]1)阴极组装：将直径为0.02mm铱基金属安装在安装支架上，固定铱基金属，同时形成两端电极；

[0045]2)阴极涂覆：将铱基金属通过超声清洗后，清除表面杂质后，在铱基金属表面涂覆厚度为0.002mm氧化钇薄膜，使之与铱基金属表面完全贴合固化；[0046]3)阴极加热：将氧化钇薄膜涂覆在铱基金属上后，放入加热腔体中进行加热，在200℃，真空度，6*10-5Pa下持续加热2小时，并抽真空除气；[0047]4)阴极激活：通过套筒在铱基金属上施加500mA电流，电流偏差控制在10mA，对铱基金属进行加热，在900℃，真空度5*10-5Pa下持续加热2小时，使表面氧化钇薄膜形成致密的金属层，最终得到长度为10mm用于空间探测仪器的阴极，如图4所示。[0048]实施例3

[0049]1)阴极组装：将直径为0.1mm铱基金属安装在安装支架上，固定铱基金属，同时形成两端电极；

[0050]2)阴极涂覆：将铱基金属通过超声清洗后，清除表面杂质后，在铱基金属表面涂覆厚度为0.03mm氧化钇薄膜，使之与铱基金属表面完全贴合固化；[0051]3)阴极加热：将氧化钇薄膜涂覆在铱基金属上后，放入加热腔体中进行加热，在300℃，真空度4*10-5Pa下持续加热3小时，并抽真空除气；[0052]4)阴极激活：通过套筒在铱基金属上施加550mA电流，电流偏差控制在10mA，对铱

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基金属进行加热，在1000℃真空度6*10-5Pa下持续加热1小时，使表面氧化钇薄膜形成致密的金属层，最终得到长度为50mm用于空间探测仪器的阴极，如图5所示。[0053]最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

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图1

图2

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