阅读说明：本技术 一种用于空间探测仪器的阴极及其制备方法 (Cathode for space detecting instrument and preparation method thereof ) 是由 李永平 李佳 王玉洁 王馨悦 郑晓亮 于 2020-04-27 设计创作，主要内容包括：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。(The invention relates to the technical field of space detection instruments, in particular to a cathode for a space detection instrument and a preparation method thereof, wherein the cathode comprises the following raw materials: the cathode comprises a cathode base metal and an oxide film, wherein the oxide film is coated on the surface of the cathode base metal, and the thickness of the oxide film does not exceed the diameter of the cathode base metal; the preparation method comprises the following steps: 1) coating a cathode; 2) heating a cathode; 3) and (5) activating the cathode. The cathode for the space detection instrument can be used for space ionization gauges, pressure gauges and other types of ion sources, and has the characteristics of low power consumption, high reliability, small volume, strong emission capability and the like.)

一种用于空间探测仪器的阴极及其制备方法

技术领域

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

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

作为优选，所述氧化物薄膜的厚度为2um-50um。

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：

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；

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；

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。

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；

步骤2)的加热腔体为本领域公知的烘烤装置的加热腔体。

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。

作为优选，步骤3)中电流大小为500-600mA。

步骤3)的真空腔体为本领域公知的真空装置的真空腔体。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

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。

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。

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。

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

图1为本发明阴极的结构示意图；

图2为本发明阴极的安装示意图；

图3为本发明实施例1的阴极的结构示意图；

图4为本发明实施例2的阴极的结构示意图；

图5为本发明实施例3的阴极的结构示意图；

附图标记：

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

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种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；

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；

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；

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；

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。

实施例1

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；

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；

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；

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。

实施例2

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；

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；

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；

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。

实施例3

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；

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；

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；

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。

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限制。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。