DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.01.006
家用微波炉磁控管用碳化La2 O3 -Mo阴极
罗丰华 周美玲 左铁镛
北京工业大学材料科学与工程学院
北京工业大学材料科学与工程学院 北京100022
摘 要：
研究了家用微波炉磁控管碳化La2 O3 Mo阴极 , 参照碳化ThO2 W阴极磁控管的制作工艺 , 成功实现了La2 O3 Mo阴极的碳化以及碳化La2 O3 Mo阴极磁控管的去气、激活。碳化La2 O3 Mo阴极的微波能量输出功率为 5 0 0W , 而同类型的碳化ThO2 W阴极磁控管的额定微波能量输出为 90 0W。通过分析认为 , 碳化La2 O3 Mo阴极磁控管微波输出能量不足的主要原因在于碳化La2 O3 Mo阴极材料本身的电子发射能力不足。
关键词：
稀土钼 ;磁控管 ;微波炉 ;
中图分类号： TM925.54
收稿日期： 2001-03-15
基金： 国家重点基础研究发展规划资助项目 (G19980 613 16);
Carbonized La2 O3 -Mo cathode for civil microwave oven magnetron
Abstract：
Carbonized La 2O 3 Mo cathode applied in civil microwave oven magnetron was studied. Referred to carbonized ThO 2 W cathode, the carbonizing techniuqes of La 2O 3 Mo cathode and exhausting, activating process of carbonized La 2O 3 Mo cathode magnetron were made. Compared to 900?W microwave energy output of same type carbonized ThO 2 W cathode magnetron, only 500?W microwave output can be acquired for carbonized La 2O 3 Mo cathode. It is pointed out that the limited microwave energy output is brought by the lower electron emission ability of carbonized La 2O 3 Mo cathode.
Keyword：
rare earth molybdenum; magnetron; microwave oven;
Received： 2001-03-15
微波炉是利用微波特性制成的新型家用炊具, 利用磁控管产生微波, 均匀辐射到炉腔中, 被肉类、 蔬菜等含水物质吸收, 水分子以高频率振动使物体加热
[1 ]
。
微波炉用磁控管主要技术参数为: 频率2 450 MHz, 阳极平均电流200 mA, 灯丝电压3.5 V, 阳极峰值电压3.7 kV, 输入功率900～1 300 W, 输出功率500～700 W
[2 ]
。 目前, 微波炉用磁控管 (包括理疗用磁控管) 均采用碳化钍钨丝阴极。 碳化钍钨阴极虽然有发射电流密度大等特点, 但由于钍元素具有发射性, 在生产和使用过程中会污染环境, 因此寻求替代钍钨的阴极材料成为当务之急。
近年来研制的稀土钼阴极具有接近碳化钍钨阴极的热电子发射水平, 并且具有高韧性和低工作温度等特点, 如果能够作为微波炉磁控管阴极, 不但可以解决钍元素的发射性污染问题, 还能减少磁控管在制作和应用过程中碳化钍钨丝的脆断失效, 并且由于阴极的加热功率减小, 从而提高了磁控管的热效率
[3 ,4 ,5 ,6 ,7 ]
。 本文作者尝试用La2 O3 -Mo阴极作为家用微波炉磁控管阴极材料, 阐述磁控管阴极的处理工艺, 通过实践重新认识目前La2 O3 -Mo阴极的发射能力。
1材料和阴极制备
采用基本上与钼丝生产工艺类似的粉末冶金方法制备La2 O3 含量为4%的稀土钼丝。 按照一定比例将La (NO3 ) 3 与MoO2 混合均匀, 通过氢还原工艺得到La2 O3 与Mo的混合粉, 再经过压制、 预烧结和高温烧结成形。 烧结坯料通过旋锻、 拉拔工艺, 加工成直径为0.5mm的稀土钼丝。
2M167型磁控管采用的是螺旋外径4 mm, 螺距1.11 mm的单螺旋阴极, 单个阴极总圈数为11.5圈, 展开总长度为127.65 mm。 实际装配后, 两端各有1.5圈在端环中, 有效圈数为8.5圈, 有效长度为94.35 mm。
2La2O3-Mo阴极磁控管制备
2.1阴极碳化
钍钨丝经碳化后为碳化钍钨丝, 这种阴极比纯金属阴极的发射效率高, 可达到50～70 mA/W (而未经碳化的纯钨阴极发射效率只有25～40 mA/W) , 而且耐正离子的轰击能力强
[8 ,9 ]
。 对于La2 O3 -Mo阴极 (Mo2 C是使La2 O3 还原生成活性单质La的还原剂
[9 ,10 ]
) , 同样需要采用碳化工艺, 碳化前先在真空中测定电压、 电流及阴极表面温度的对应关系, 阴极表面温度用红外测温仪测定, 结果见图1。
碳化时通过调节阴极电压来控制阴极表面温度, 电压与阴极表面温度的关系随真空度、 稀土钼丝实际电阻等变化有所波动。 碳化在苯气氛中进行, 由于对流散热, 相同电压下, 阴极表面温度比真空中略低。 实验准备了8个阴极样品, 预先统一测定电阻数据, 发现碳化前电阻明显分为两组。 根据前期实验结果, La2 O3 -Mo阴极在1 400～1 500 ℃碳化效果比较理想, 因此将样品分为两组, 分别选择电压为9.5 V和10 V做碳化实验。 碳化在玻璃钟罩中进行, 首先抽真空到1.33×10-1 ?Pa, 再通以约20Pa的苯蒸汽, 具体工艺制度及结果见表1。
图1 微波炉磁控管用La2O3-Mo阴极的电压—温度关系
Fig.1 Relationship between voltage and temperature of La2 O3 -Mo cathode
从表1可以看到, 碳化的结果比较理想, 并且重现性好。 碳化完成后, 将阴极和阳极组件通过氩弧焊焊合在一起, 阳极组件包括谐振腔、 上下磁靴、 导波天线、 排气管等。
2.2磁控管老炼、 去气
对于高频管, 必须达到10-6 ?Pa的高真空才能正常工作, 因此必须实行严格的排气工艺。 事实上磁控管工作时, 由于温升的作用, 阴极、 阳极内表面及其他暴露在真空腔内的表面上的吸附气体都会挥发出来, 造成真空破坏
[13 ]
, 因此, 在排气过程中必须通过调整灯丝电压U f 和阳极电压U a , 使整个组件达到一定的温度, 才能达到排气的效果。 观察发现虹光电子管厂的2M167型磁控管排气时阳极外表面温度达到900 K。
另外, 对于ThO2 -W阴极, 排气时还要实行阴极的激活工序, 即将阴极加热到较高温度, 通过W2 C对ThO2 的还原作用, 使阴极中生成部分Th单质原子。
表2所列为虹光电子管厂的2M167型碳化钍钨阴极磁控管排气工艺和碳化La2 O3 -Mo阴极的排气工艺。
磁控管去气、 老炼前先预抽真空到10-6 ?Pa, 在整个过程中都开启真空扩散泵, 最后封管时真空度要求高于10-6 ?Pa, 实验管封管真空度都需达到要求。 从表2可以看出, 碳化钍钨阴极的去气、 老炼工艺共有12个步骤, 前9个步骤主要作用是去气, 即通过逐步提高阴极电压将灯丝逐步加热到一定温度, 一般高于工作电压 (2M167型磁控管阴极工作额定电压为3V) ; 同时通过不断增加阳极电压以达到增大热电子发射电流和提高阳极功率的作用, 从而使阳极和整个磁控管真空腔内充分加热, 通过温升和热电子不断轰击阳极腔来达到去除真空腔内吸附气体的作用。 第11步采用较高的阴极电压, 使阴极温度升高促进ThO2 还原, 起到老炼、 激活的作用。
对于碳化La2 O3 -Mo阴极, 基本上采用与碳化ThO2 -W类似的去气、 老炼工艺, 所不同的是由于碳化La2 O3 -Mo阴极工作温度低, 所以阴极加热电压U f 按比例降低, 阴极激活的电压为4.5 V, 参照图1, 对应温度约为1 850 K。 同时发现, 热电子发射电流达不到要求, 因此采用提高阳极电压U a 的方法, 来保证阳极功率和磁控管的温升。 按照表2的工艺, 碳化La2 O3 -Mo阴极磁控管的真空度能达到要求, 经高压击穿检验合格。
表1 La2O3-Mo磁控管阴极的碳化工艺
Table 1 Carbonization techniques for La2 O3 -Mo magnetron cathode
Sample
Resistivity
Carbonized
Carbonized
Carbonized
Resistivity
Carbonized
0.045 4
4
11.0
4
0.051 3
13.0
0.043 7
4
11.4
4
0.052 5
20.0
0.047 0
4
10.6
4
0.052 1
10.9
0.046 4
4
11.0
4
0.053 2
14.7
0.041 0
3.5
10.8
4
0.046 1
12.4
0.040 8
3.5
11.0
4
0.0460
12.7
0.040 1
3.5
10.8
4
0.047 2
17.7
0.041 2
3.5
11.0
4
0.047 5
15.3
表2 磁控管排气工艺
Table 2 Exhaust techniques for magnetron
Time
2 -W2 O3 -Mo
U f /VU a /VI a /mAU f /VU a /VI a /mA
1
1
2.5
0
0
2.0
0
0
1
4.0
0
0
3.5
0
0
1
3.5
100
0
3.0
150
2
3.5
140
80
3.0
190
5
4.0
200
120
3.5
250
5
4.0
240
170
3.5
290
10
4.5
250
200
4.0
300
50
10
4.5
270
230
4.0
320
100
15
5.0
260
220
4.5
310
100
5
0
0
0
0
0
0
3
6.5
0
0
5.0
0
0
20
4.5
210
180
4.0
210
110
3测试结果
表3列出了两种不同阴极的2M167型磁控管测试的基本参数。 从表3可知, 采用碳化La2 O3 -Mo阴极, 阴极工作电压为1.8 V, 对照图1, 对应阴极表面温度为1 510 K, 阴极工作电压和阴极加热功率大大降低。 但是, 阳极电流, 也即阴极热电子发射电流达不到ThO2 -W阴极的水平, 继续增加阳极电压也没有作用, 这将导致微波输出功率不能满足要求。
表3 两种不同阴极2M167型磁控管测试结果
Table 3 Test results of two different cathodes of 2M167 magnetron
Cathode
Cathode
Cathode
Anode voltage
2 -W3.3
14
46.2
4.2
2 O3 -Mo1.8
6.4
11.5
3.5
Anode
Anode
Microwave
2 -W300
1 260
900
2 O3 -Mo200
700
500
4讨论
4.1碳化La2O3-Mo阴极的发射能力
表4所列为几种阴极的发射特性。 可见, 目前碳化La2 O3 -Mo阴极所能获得的发射本领实际上只达到纯钨的下限值, 而并非文献
[
4 ,
5 ,
12 ]
所报导的能达到Th-W阴极的上限值。 对于碳化Th-W阴极, 工程应用设计时一般采用其最大发射效率的一半, 即25～45 mA/W作为设计依据
[11 ]
, 可见, 碳化La2 O3 -Mo阴极的最大发射效率甚至都达不到Th-W阴极设计水平的一半, 不能满足取代碳化Th-W阴极的能力。
表4 几种阴极的发射特性
Table 4 Thermionic emission properties of different cathodes
Work
Emission current-2 )
Emission -1 )
[8, 9, 11] 2 450～2 650
0.3～0.7
4～10
[8, 9, 11] 1 950～2 000
0.7～1.5
50～70
2 O3 -Mo[4, 5, 12] 1 523～1 723
0.318～0.367
11.8
从发射效率考虑, Th-W阴极磁控管工作的阴极加热功率约为46 W (见表3) , 如果不考虑冷端效应, 即使按碳化Th-W阴极设计时所采用的25 mA/W的最低发射效率计算, 其阴极发射能力也可达到1 150 mA, 远大于磁控管工作要求的300 mA。 而对于碳化La2 O3 -Mo阴极, 阴极加热功率仅为11.6 W, 即使发射效率按最大值11.8 mA/W计算, 阴极最大发射能力为136 mA, 这个结果比测试获得的发射电流 (约200 mA) 还要低, 这是由于电子回轰功率没有计算在内, 一般磁控管电子回轰功率为阳极功率的2%～10%
[8 ]
。
按照阴极发射电流密度计算, 阴极的有效发射面积与阴极的等位面有关, 对于螺旋式阴极, 按工程计算方法
[11 ]
, 只能取表面的一半作为有效发射面积:
S =0.5πL 1 d =0.5×3.14×94.35×0.5=0.74 cm2 (1)
式中 L 1 为阴极有效长度, d 为丝直径。
碳化La2 O3 -Mo阴极的最大发射电流密度为0.367 A/cm2
[4 ,5 ,12 ]
, 那么最大发射电流为:
I k, max =364×0.74=271 mA (2)
实际上, 由于冷端的散热作用, 碳化时阴极两端的温度达不到所需的碳化温度, 碳化实验观察到仅有6圈螺旋温度比较均衡, 这样碳化La2 O3 -Mo阴极2M167型磁控管的发射能力要低于269 mA。 测试的结果大约为200 mA, 符合工程计算结果, 同时说明本实验所采用的去气和阴极激活工艺是合理的, 能够反映出目前研究的碳化La2 O3 -Mo的阴极发射水平。
可见, 由于碳化La2 O3 -Mo阴极达不到Th-W阴极的发射能力, 造成了磁控管阴极发射电流不足, 达不到要求的微波输出功率。
4.2磁控管碳化La2O3-Mo阴极过热分析
碳化La2 O3 -Mo阴极的工作温度范围比较窄, 大致为1 240～1 450 ℃, 高于此温度时发射能力下降
[5 ]
。 表5为碳化La2 O3 -Mo阴极2M167型磁控管在不加磁场情况下测得的发射能力。
表5 碳化La2O3-Mo阴极2M167型磁控管无磁场时的发射能力
Table 5 Emission ability of carbonized La2 O3 -Mo cathode of 2M167 magnetron without magnetic field
Cathode
Cathode
Anode
Anode
Cathode
Cathode
2.0
7.7
200
200
15.4
Normal
3.0
9.6
200
238
28.8
Normal
3.5
10.6
200
180
37.1
Over heat
表5中的阴极表面温度是参照图1估计出来的。 从表5可知, 当温度高达1 500 ℃时, 即阴极自热功率大于37.1 W时, 阴极发射能力下降, 阴极过热。
磁控管工作时, 除了微波输出功率外, 其它能量都以热的形式释放。 一般磁控管电子回轰功率为阳极功率的2%～10%。 如果要获得900 W的微波能量输出, 那么按照碳化钍钨阴极磁控管的参数计算, 阳极功率为1 260 W, 即使取回轰功率的最小比例, 即2%, 回轰功率也可达25.2 W。 在功率测试实验中, 阴极自身发热功率为11.52 W, 再加上最少回轰功率25.2 W, 达到36.5 W, 参照表5, 灯丝肯定过热。
表6为碳化La2 O3 -Mo阴极在外加磁场和无外加磁场两种状态下阴极的电压与电流的对比关系。 从表6可以看出, 在外加磁场状态下, 阴极电流明显降低, 这是由于阴极电子回轰使阴极温度升高, 阴极电阻增大的缘故。
表6 碳化La2O3-Mo阴极电压电流关系
Table 6 Voltage and current relationship of carbonized La2 O3 -Mo cathode
Under magnetic field
7.3
6.4
7.8
6.6
8.8
7.6
从以上分析可知, 碳化La2 O3 -Mo阴极不能达到2M167型磁控管900 W的微波输出功率的要求, 主要原因在于这种阴极材料没有达到钍钨阴极材料发射水平, 从而使磁控管阴极发射电流不足, 造成微波输出不足。 在深入研究稀土钼阴极材料发射机理的基础上, 进一步提高稀土钼阴极材料的发射能力, 才能真正实现代替钍钨阴极材料。 同时, 在开发新型磁控管用稀土材料阴极时, 还应保证阴极材料具有较宽的工作温度, 才能避免由于电子回轰而引起的阴极过热。
5结论
1) 在约1 450 ℃苯蒸汽中碳化4 min, La2 O3 -Mo阴极碳化效果良好, 可以获得10%～18%的碳化度。
2) 采用合理的去气工艺和约1 580 ℃的阴极激活工艺, 获得了反映碳化La2 O3 -Mo阴极发射水平的磁控管。
3) 采用同样规格的碳化La2 O3 -Mo阴极, 只能获得约500 W的微波能量输出, 而碳化ThO2 -W阴极的标准是900 W。 微波输出能量不足的主要原因在于碳化La2 O3 -Mo阴极达不到Th-W阴极的电子发射能力。
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