中国有色金属学报 2004,(06),985-989 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.06.019
稀土镧钼热阴极材料稳定发射机理——碳化及发射寿命
北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室,北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室,北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室,北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室,北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室,北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室 北京100022 ,北京100022 ,北京100022 ,北京100022 ,北京100022 ,北京100022
摘 要:
探讨了碳化Mo La2O3热阴极的寿命机理,分析了阴极工作温度和碳化度(碳化层厚度)对碳化Mo La2O3阴极电子管寿命的影响。研究结果表明:碳化Mo La2O3热阴极的发射寿命是由碳化层中Mo2C的损耗决定的,阴极表面Mo2C消耗殆尽,阴极发射寿命即终结。阴极表面Mo2C一方面作为还原剂与La2O3作用被消耗,另一方面它在高温下会发生分解,阴极中Mo2C的损耗包括上述两个方面。在相同温度时,碳化Mo La2O3阴极中与La2O3还原反应损耗的Mo2C和Mo2C在高温下分解损耗的相当。通过理论分析与计算建立了各因素影响寿命的数学模型,并通过高温分解实验得到了Mo2C在不同温度下的分解速率。在1673K,Mo2C的分解速率为1.21×10-7g/(cm2·s),碳化度δ≥15%,Mo La2O3热阴极可稳定发射1000h以上。
关键词:
中图分类号: TG113
作者简介:周文元(1970),男,博士研究生.;
收稿日期:2003-09-12
基金:国家重点基础研究发展规划资助项目(G1998061316);
Stable emission mechanism of Mo-La2O3 cathode—Carbonization and emission lifetime
Abstract:
The lifetime mechanism of Mo-La2O3 cathode was discussed, and the effect of the operating temperature of cathode and the carbonized ratio (thickness of carbonized layer) on lifetime of tubes equipped with carbonized Mo-La2O3 cathode was analyzed respectively. The emission can keep stable only when the operating temperature is in range of 1 600 K to 1 700 K and the carbonized layer must be composed of Mo2C. The results show that the lifetime of carbonized Mo-La2O3 cathode is decided by the consuming velocity of Mo2C of the carbonized layer of cathodes. The Mo2C is consumed as reducer for La2O3 and vaporized after decomposition during the working time. At 1 673 K, The consuming velocity is 1.21×10-7 g/(cm2·s). The stable emission lifetime of tubes equipped with carbonized Mo-La2O3 cathodes can exceed 1000h if the carbonized ratio is above 15%.
Keyword:
Mo-La2O3 thermoinic cathode; carbonization; emission lifetime; mathematical mode;
Received: 2003-09-12
20世纪70年代, 瑞士BBC公司
Mo-La2O3阴极是极具希望取代已使用百年具有放射性污染的W-ThO2材料的新一代热阴极材料。 但由于其发射稳定性差、 工作温度范围窄、 寿命短等原因, Mo-La2O3阴极至今未真正进入工业应用。
1碳化Mo-La2O3阴极的寿命机理
关于Mo-La2O3阴极的热电子发射机理, Buxbaun等
以上两种假说都认为, Mo-La2O3阴极在工作时, 阴极内部作为活性发射物质的镧是促进Mo-La2O3阴极电子发射和发射稳定的关键因素, 是保证Mo-La2O3阴极电子发射的稳定性和发射寿命的基础。
碳化Mo-La2O3阴极工作时, 阴极中单质La的产生方式可能有以下两种方式:
3Mo2C+2La2O3=
4La+6Mo+3CO2 (1)
3Mo2C+La2O3=
2La+6Mo+3CO (2)
根据热化学动力学的Gibbs-Helmholz自由能方程式:
而
ΔH?=∑ni·H?i-∑nk·H?k (4)
ΔS?=∑ni·S?i-∑nk·S?k (5)
式中 i表示生成物; k表示反应物。
反应(1)、 (2)中各物质的ΔH?、 ΔS?可由热力学数据手册查得, 根据式(4)和(5)计算, 反应(1)和(2)的热力学函数分别为
ΔH?1 T=-110.25 T+40.04×10-3T2-
6.86×10-6T3-36.24×105T-1+
4 309 507.95
ΔS?1 T=-110.25×ln T+80.08×10-3T-
10.29×10-6T2-18.12×105T-2+
1 714.15
ΔH?2 T=-74.51 T+22.59×10-3T2-
3.43×10-6T3-46.74×105T-1+
2 497 600.68
ΔS?2 T=-74.51×ln T+45.18×10-3T-
5.15×10-6T2-23.37×105T-2+
1 241.69
将以上热力学函数代入式(3), 就可求得上述两反应在不同温度下的平衡常数k, 计算结果见表1。
表1 反应(1)、 (2)的平衡常数k
Table 1 Equilibrium constantsof reactions (1) and (2)
T/K |
k1 | k2 |
1 500 |
7.644 49×10-95 | 8.598 55×10-46 |
1 600 |
1.096 29×10-85 | 1.595 49×10-40 |
1 700 |
1.296 67×10-77 | 7.020 79×10-36 |
1 800 |
1.919 62×10-70 | 9.321 9×10-32 |
1 900 |
4.942 87×10-64 | 4.516 05×10-28 |
2 000 |
2.879 69×10-58 | 9.291 77×10-25 |
由平衡常数定义可知:
k1=p
k2=p
式中 pCO、 pLa、 pCO2分别为各气态物质的平衡蒸气压, Pa; aLa2O3、 aMo、 aMo2C分别为各物质的活度。
根据反应过程中质量守恒定律, 对反应(1)有:
对反应(2)有:
因此
假设阴极中各成分是相互独立, 不存在中间相和固溶现象, 则aLa2O3、 aLa、 aMa、 aMo2C均为1, 代入式(6)和(7)可以得到不同温度各反应的平衡蒸气压, 结果见表2。 Mo-La2O3阴极工作温度在1 600~1 700 K之间, 电子管内真空度一般为10-6~10-8 Pa
表2 反应(1)、 (2)中镧的平衡蒸气压(Pa)
Table 2 Equilibrium vapour pressure oflanthanum in reactions (1) and (2)
T/K |
p | p(2)La |
1 500 |
4.057 97×10-14 | 1.237 48×10-9 |
1 600 |
8.248 81×10-13 | 1.400 34×10-8 |
1 700 |
1.173 99×10-11 | 1.188 32×10-7 |
1 800 |
1.241 67×10-10 | 7.935 16×10-7 |
1 900 |
1.022 89×10-9 | 4.331 18×10-6 |
2 000 |
6.814 78×10-9 | 1.991 93×10-5 |
Mo-La2O3阴极工作时, 阴极中扩散到阴极表面的La2O3不断被Mo2C还原, 产生单质镧
得到阴极工作时La的平衡蒸气压后, 进而可由Knudsen方程得到Mo-La2O3阴极表面单位时间单位面积La蒸发的质量m, 需要注意的是, Knudsen计算的是纯物质的蒸发质量, 计算Mo-La2O3阴极中La2O3的损耗速度时应乘以La2O3在合金中所占体积分数。 在不同温度时, 碳化Mo-La2O3阴极中La2O3的损耗速度和一根直径为1 mm氧化镧阴极中La2O3完全耗尽所需时间见表3。 在Mo-La2O3阴极的工作温度为1 600~1 700 K时, La2O3耗尽时间均在50 000 h以上, 可见La2O3的损耗并不是影响Mo-La2O3阴极寿命的关键因素, 而主要取决于碳化层中Mo2C的损耗。
表3 Mo-La2O3阴极中Mo2C、 La2O3的损耗速度及La2O3耗尽所需时间
Table 3 Consuming rate of Mo2C and La2O3of carbonized Mo-La2O3 cathode
T/K |
v(Mo2C)/ (g·cm-2·s-1) |
v(La2O3)/ (g·cm-2·s-1) |
t(La2O3)/ h |
1 500 |
2.201 28×10-9 | 9.999 26×10-10 | 6 944 957 |
1 600 |
2.411 87×10-8 | 1.095 59×10-8 | 633 855 |
1 700 |
1.985 58×10-7 | 9.019 47×10-8 | 76 994 |
1 800 |
1.288 55×10-6 | 5.853 2×10-7 | 11 864 |
1 900 |
6.845 58×10-6 | 3.109 59×10-6 | 2 233 |
2 000 |
3.068 6×10-5 | 1.393 91×10-5 | 498 |
v(Mo2C) is consuming rate of Mo2C; v(Ca2O3) is consuming rate of La2O3; t(La2O3) is lifetime of La2O3.
2碳化Mo-La2O3阴极发射寿命数学模型
由上面分析可知, 碳化Mo-La2O3阴极的寿命是由碳化层中Mo2C的损耗决定的。 碳化Mo-La2O3阴极在高温工作时, Mo2C一方面作为还原剂与La2O3作用被损耗, 另一方面它在高温下会发生分解, 阴极中Mo2C的损耗包括上述两个方面, 因此碳化Mo-La2O3阴极的发射寿命τ与工作温度T、 碳化层厚度H(碳化度δ)、 发射电流If等因素有关, 即:
τ=f(T, δ, If) (12)
Mo2C在高温下的分解速度v与温度T的关系, 可用指数函数表示:
v=dr/dt=v0·eα(T-T0) (13)
式中 v0为温度T0时的分解速度; α为分解常数, 与阴极表面状况、 工作气氛等有关。
假定碳化层耗尽时阴极工作温度为Te, 则寿命τ为
在碳化Mo-La2O3阴极工作温度范围内, r与T的关系近似于线性, 其比例因子
式(15)是表征碳化Mo-La2O3阴极发射寿命和阴极工作温度及碳化层厚度的基本关系式。
3碳化Mo-La2O3阴极发射寿命模拟实验
3.1实验
由前面计算与理论分析可知, 碳化Mo-La2O3阴极的发射寿命是由阴极表面碳化层中Mo2C的损耗决定的。 在实际电子管高温工作时, 阴极中Mo2C的损耗量非常微小, 而且电子管中的栅极、 阳极等其它部分中的Mo、 O、 C和其它杂质元素也会发生分解和蒸发。 目前分析技术还无法进行实际电子管中Mo2C分解的准确分析, 为了对电子管阴极发射寿命进行预测, 模拟电子管的工作环境, 采用分析纯的Mo2C粉末, 测定Mo2C在高温时的分解速度, 进而得到Mo-La2O3阴极的理论发射寿命。
实验分析仪器是Rheometric Scientific STA-1500热重分析仪。 将纯Mo2C粉末装在直径5 mm的高纯氧化铝坩埚中压实。 分析时试样室真空度保持在10-5 Pa以上, 升温速度10 K/min, 当温度升到1 473、 1 573、 1 673 K时各保温10 min, 测试在各阶段Mo2C的质量损失。
3.2结果与分析
Mo2C高温时分解质量损失曲线见图1。
图1 Mo2C高温分解曲线
Fig.1 Decomposing rate of Mo2C at high temperature
由上面曲线可得到不同温度Mo2C的分解质量md, 因此单位面积单位时间内Mo2C分解质量即分解速率vd为:
将分析结果代入上式即可求得不同温度时Mo2C的分解速度, 如表4所示。 计算时需要注意的是, 用Mo2C粉末模拟分解实验要考虑其分解面积并不是坩埚口的面积, 必须进行修正, 修正系数n为理论ρ(Mo2C)与粉末ρ(Mo2Cf)之比, 即
表4 不同温度时Mo2C的分解速度
Table 4 Decomposing rate of Mo2Cat different temperatures
T/K |
md/g | vd/(g·cm-2·s-1) |
1 473 |
6.09×10-6 | 5.17×10-8 |
1 573 |
1.079×10-5 | 9.16×10-8 |
1 673 |
1.42×10-5 | 1.21×10-7 |
由前面计算和上面实验结果可看出, 在阴极工作的温度范围内(1 600~1 700 K), 碳化Mo-La2O3阴极中与La2O3还原反应Mo2C损耗速率和Mo2C在高温下分解损耗速率基本相同, 因此, Mo-La2O3阴极的寿命是由阴极碳化层分解和与La2O3还原反应损耗共同决定的。 因此碳化Mo-La2O3阴极发射寿命可计算为
式中 M(Mo2C)为阴极中碳化层Mo2C的质量; vd, vr分别为阴极中Mo2C的分解和还原损耗速度; S为阴极表面发射有效面积; ρ(Mo2C)为Mo2C的密度, 为8.92 g/cm3; V(Mo2C)为阴极中碳化层的体积; d, l分别为阴极直径和长度; H为阴极碳化层厚度。 因此
若阴极工作温度为1 673 K, 直径为1.0 mm, 不同碳化度的Mo-La2O3阴极碳化层耗尽时间(发射寿命)见表5。
从上面计算结果可知, 要满足Mo-La2O3阴极FU-6051电子管稳定工作1 000 h以上, 阴极碳化度必须大于15%。 而且, 工作温度对Mo-La2O3阴极的发射寿命影响很大, 如碳化度为15%的阴极在1 473 K时阴极寿命为3 432 h, 1 573 K时阴极寿命为1 937 h, 1 673 K时阴极寿命仅为1 466 h。 由前面讨论可知, Mo-La2O3阴极工作温度为1 600~1 700 K较为合适, 因此Mo-La2O3阴极碳化度必须大于15%, 才能保证Mo-La2O3阴极电子管稳定工作寿命1 000 h的要求。
表5 不同碳化度Mo-La2O3阴极的发射寿命
Table 5 Influence of carbonization ratioon stable emission lifetime
δ/% |
H/μm | τ/h |
||
1 473 K |
1 573 K | 1 673 K | ||
5 |
16.177 16 | 1 144.148 | 645.769 1 | 488.8 |
10 |
32.914 26 | 2 288.296 | 1 291.538 | 977.7 |
15 |
50.273 83 | 3 432.444 | 1 937.307 | 1 466.6 |
20 |
68.330 95 | 4 576.592 | 2 583.076 | 1 955.5 |
25 |
87.177 14 | 5 720.74 | 3 228.845 | 2 444.3 |
30 |
106.925 9 | 6 864.888 | 3 874.615 | 2 933.2 |
4结论
1) 碳化Mo-La2O3热阴极的发射寿命是由碳化层中Mo2C的损耗决定的, 阴极表面Mo2C消耗殆尽, 阴极发射寿命也就终结。
2) 阴极表面Mo2C一方面作为还原剂与La2O3作用被损耗, 另一方面它在高温下会发生分解, 阴极中Mo2C的损耗包括上述两个方面。 在相同温度时, 碳化Mo-La2O3阴极中与La2O3还原反应损耗的Mo2C和Mo2C在高温下分解损耗的相当。
3) 碳化Mo-La2O3热阴极的发射寿命与工作温度和碳化层厚度的函数关系为
4) 碳化Mo-La2O3热阴极的发射寿命与碳化度成正比关系。 在1 600~1 700 K, 碳化度δ≥15%, 碳化Mo-La2O3热阴极可稳定发射1 000 h以上。
参考文献
[1] BaxbaumC,GessingesG.ReactionCathode[P].US4019081,1977.
[2] BaxbaumC,GessingesG.LanthanatedThermionicCathodes[P].US4083811,1978.