李立民[1]2004年在《高功率二极管碳纤维阴极的研究》文中认为作为新型阴极,碳纤维阴极具有发射阈值低、出气率低、阴极等离子体膨胀速度慢、阴极寿命长、本底气压变化小、发射均匀等优点,因而碳纤维阴极是高功率二极管阴极的一个很好的选择。在这些优点当中,碳纤维阴极电子发射机制是这些特性的根本原因,所以对碳纤维阴极发射机制的研究有重要的意义。 本文首先建立了碳纤维等离子体形成模型并进行了相关的实验研究。表面闪络在碳纤维发射过程中起到了很重要的作用,发射后的微观照片验证了所建立的模型,并在此基础上结合表面闪络的二次电子发射机制与极化松弛机制,对碳纤维电子发射进行了理论解释。我们还进行了阴极光斑的实验研究,发现碳纤维阴极发射阈值较天鹅绒阴极低,光斑分布较均匀、电子发射不是明显集中在阴极的边缘,这证实了碳纤维阴极等离子体的均匀性。 我们采用电学方法进行了等离子体膨胀速度测量。通过二极管阻抗拟合计算了碳纤维、不锈钢阴极等离子体膨胀速度分别1.1cm/μs、2.5cm/μs,通过二极管间距随时间的变化我们可以定性地得出碳纤维、不锈钢阴极的等离子体膨胀速度分别为0.9cm/μs、2.2cm/μs,通过二极管导流系数的方法我们得到碳纤维阴极等离子体膨胀速度为0.98cm/μs,从结果可看出碳纤维阴极具有较慢的等离子体膨胀速度。 针对机制模型,我们进行了电子束质量的测试。通过阳极的打靶实验,发现碳纤维阴极能形成较均匀的电子束,另外,作为碳纤维阴极的一个定量测试结果,我们给出碳纤维阴极发射的发散度和亮度分别为1256mm·mrad、2×10~7A/(m·rad)~2。 作为碳纤维阴极的一种应用,我们在Tomachan实验装置上用碳纤维阴极取代不锈钢阴极,实验结果表明碳纤维阴极二极管的电压有明显平顶效果,电压脉冲得到加宽,微波主瓣方向功率提高了5-7dBm,此外还发现在微波输出功率相同的情况下,微波脉冲加宽了大约30%,这说明碳纤维阴极在高功率微波领域具有广阔的应用前景。 最后对本文的工作进行了总结,并展望今后的工作。
门涛[2]2007年在《阴极等离子体及阴极表面损伤研究》文中进行了进一步梳理爆炸电子发射阴极是高功率微波系统的关键器件,对微波输出功率和微波脉宽有着重要影响,而阴极等离子体决定了强流电子束的提取。因此本文围绕阴极等离子体膨胀速度、阴极表面损伤进行了理论和实验研究,同时研究了阴极等离子体膨胀速度对二极管阻抗变化的影响。实验分析了爆炸电子发射阴极在电子发射后的表面损伤情况,结果表明不锈钢阴极的发射机制是爆炸电子发射,而对于天鹅绒和碳纤维阴极,在爆炸电子发射的同时伴随有表面闪络发射机制。碳纤维阴极表面电子发射之后发射体增多,而不锈钢和天鹅绒阴极表面电子发射后发射体减少。实验研究了阴极在重复频率条件下的工作特性,结果表明碳纤维阴极输出束流和二极管电压稳定,重复性好、寿命长,二极管气压对对阴极寿命和电子束质量有着重要影响。进行了超高速相机测量阴极等离子体衰减时间实验,取得了初步的实验成果,通过相机拍摄的照片可以得到金属介质阴极的等离子体衰减时间约为1.6μs。对实验提出了进一步的改进方案,拟使用脉冲发生器的两路电触发信号分别触发加速器和超高速相机,这样相机拍照和阴极放电可保持同步进行。碘化铯(CsI)是优秀的远紫外光电发射材料,CsI涂层使阴极表面的发射体数量增加。使用电学和光学诊断工具研究阴极等离子体膨胀速度,浸渍了CsI阴极的等离子体膨胀速度比没有浸渍CsI的阴极要小。阴极表面浸渍CsI可使二极管电压脉宽延长,并且降低了阴极电子发射阈值,导致电流上升时间比较快,最终提高了高功率微波输出功率。实验研究了反射叁极管虚阴极振荡器的二极管阻抗随时间变化特点、等离子体从阴极表面向阳极膨胀导致二极管阻抗崩溃和虚阴极的形成过程。从Child-Langmuir定律和顺位流模型出发讨论了阴极等离子体膨胀对二极管阻抗的影响,定义了二极管阻抗的过渡点。二极管阻抗随时间变化可以分为五个阶段,阻抗变化特性可揭示虚阴极振荡随时间变化过程,和微波辐射的起始和截至时刻。
邓潘[3]2005年在《碳纤维阴极发射机制及对输出微波脉宽的影响》文中进行了进一步梳理碳纤维阴极具有发射均匀、阴极等离子体膨胀速度慢、使用寿命长、出气率低、发射阈值小等突出优点,将碳纤维阴极应用于与其相匹配、相适应的微波源上,明显提高了微波输出脉宽和效率。碳纤维属于半导体,含碳量高达90%以上,稳定性好;其疏松层状和孔隙微观结构具有强吸附性;3650℃升华高温延长了阴极的使用寿命。我们研制的碳纤维阴极不仅制备工艺独特、实用性强,而且在Tomachan反射叁极管虚阴极振荡器实验中取得了较好的实验效果。碳纤维阴极所具有的优良品质与碳纤维材料特性、阴极制备工艺、特别是碳纤维阴极电子发射机制及运行状况密切相关,因此对碳纤维阴极发射机制的研究具有重要的意义。一种优化的阴极最有可能综合利用多种发射机制,从而使整个表面的发射趋于均匀。本论文指出浸渍了CsI的碳纤维阴极电子发射就是一种优化的发射机制,它不是仅限于某单一电子发射机制,而是综合利用了多种电子发射机制,即不仅具有尖端的爆炸电子发射,而且伴随着侧向的表面闪络及随纹,增大了发射电子面积,从而降低了局部电流密度,减小了欧姆加热,同时还具备了CsI光电发射机制,增加了发射均匀性,其产生的重离子降低了二极管间隙闭合速度。通过对阴极电子束轰击目击靶实验及对阴极光斑的拍摄,有效地验证了碳纤维阴极发射均匀性。采用电学方法(即二极管阻抗拟合计算、二极管间距随时间变化规律及二极管导流系数的方法)对极间等离子体膨胀速度进行测量,得出碳纤维阴极等离子体膨胀速度约为1.0cm/μs,小于不锈钢阴极等离子体膨胀速度的二分之一。分析认为碳纤维阴极的特有综合发射机制及物质特性提高了发射束流均匀、降低等离子体膨胀速度。同时用Magic粒子模拟软件对碳阳极箔进行模拟,发现碳阳极箔具有较小的电子散射率和较高的电子透射率,提出选择碳纤维阳极箔材料来改造二极管的设想。在碳纤维阴极Tomachan反射叁极管虚阴极振荡器实验平台上,二极管电流达8~11kA,电压440kV,其微波输出脉宽大于200ns,较不锈钢阴极提高了30%以上,微波输出能量翻了一番以上;辐射主瓣方向上的输出功率提高了3dB以上;效率也从4%左右增加到近10%。反映出碳纤维阴极微波源的性能较传统阴极微波源得到了极大地改善,这为进一步研究长脉冲、可重复、长寿命的强流二极管阴极打下了基础。
钟文丽[4]2008年在《高功率微波源用阴极材料研究》文中提出本论文以高功率微波课题研究为背景,主要承担高功率微波源用阴极材料部分的研究任务。重频、长脉冲阴极材料技术是高功率微波实用系统研制的一项关键技术,研制重频、长脉冲阴极是高功率微波技术发展的迫切需求。本文以寻找发射电流密度高、阴极等离子体运动速度小、能实现长脉冲和重复频率运行的长寿命阴极材料为目标,对高功率微波源用阴极材料展开研究。本文首先根据二极管阴极理想的发射特性选取了天鹅绒、石墨、金属-陶瓷、碳纤维、铁电体等五种阴极材料体系作为实验对象,然后根据电子发射实验装置的要求设计了薄片状阴极,根据高功率微波的需要设计了柱状和环形阴极,并且选择了合适的材料成型工艺对各种阴极材料进行了制备。在此基础上重点对阴极材料的电子发射性能进行了研究:自行设计并搭建了小型的阴极电子发射测试系统,掌握了阴极实验研究的核心技术;而后通过对天鹅绒阴极、石墨阴极、铁电阴极的对比实验,结合电子发射波形和发射前后微观形貌的扫描电镜分析,对各种阴极的电子发射特性及机理进行了理论分析,并且结合各种阴极材料的特性对它们的电子发射特性进行了分析总结,为阴极在高功率微波系统中的应用奠定了一定的基础。最后,在SPARK-04和TORCH-01高功率微波平台上对阴极材料的长脉冲和重复频率运行实验情况进行了研究,根据实验结果总结和分析了阴极的发射特性和微波输出特性。论文得到的主要结论如下:(1)天鹅绒阴极发射的启动机制是表面闪络和尖端场增强共同作用的结果。天鹅绒阴极发射基本特性为:启动时间短、发射电流束流密度大、容易形成大面积均匀的电子束、等离子体膨胀速度小、但发射过程中放气率较高。微波输出特性为:单次发射时,微波功率和脉宽基本都能达到最佳值,但随着实验次数的增加,其性能下降很快,寿命较短。(2)石墨阴极的发射机制是场致爆炸电子发射机制。石墨阴极优点是放气少、寿命长、高电导率、高熔点、高升华温度;缺点是发射阈值较高、启动慢、等离子体闭合速度快、发射不均匀等。它的微波输出特性为:输出微波功率小,脉冲宽度窄,但重复频率运行较为稳定、使用寿命较长。(3)金属—陶瓷阴极电子发射不均匀导致实验中没有明显微波输出。但金属-陶瓷阴极具有和天鹅绒阴极相近的发射能力,且实验所体现出来的放气率低、运行寿命长以及良好的重复频率运行能力等特性,表明其具有较好的重频、长脉冲运行工作发展潜力。(4)碳纤维阴极的发射机制综合了尖端的爆炸电子发射和侧面的表面闪络发射机制。碳纤维阴极在电子发射性能方面具有很多优点:电子发射延迟时间短、启动快、发射阈值低;等离子体膨胀速度慢;电子发射均匀性好、可重复性好;出气率低、寿命长。(5)高压下铁电阴极的电子发射属于表面等离子致爆炸发射;铁电阴极电子发射重复性好、寿命长、出气率低、对真空环境要求不高;但铁电阴极的电子发射能力相对较弱,而且阴极启动时间较长,具有较大的等离子体膨胀速度。
谌怡[5]2011年在《碳纳米管阴极强流脉冲发射特性研究》文中认为电子直线感应加速器(LIA)闪光照相时所需要的电子束的束流强度高达数kA。通常只有热致电子发射阴极和场致电子发射阴极能够获得如此大的电流强度的电子束。其中,热阴极获得的电子束的束流品质较好,但发射电流密度相对较低,阴极容易中毒,寿命较短,而且成本高。场致发射阴极属于冷阴极的范畴,高压脉冲场强下,场致发射阴极也能够引出强流电子束,并且阴极发射电流密度相对较高,寿命较长,因此被广泛应用于强流电子加速器和高功率微波管中。论文中通过ANSYS模拟了2MeV LIA注入器平台二极管区的静电场分布,结合实验情况,说明了在使用不同阴极组件的情况下静电场分布对阴极发射的影响;通过模拟二极管阴极持续放气与二极管真空室压强分布的关系,得到了二极管区分子泵在腔壁的分布对真空室压强分布的影响较大的结论。在2MeV LIA注入器平台上开展了大面积碳纳米管阴极强流脉冲发射特性研究实验。通过多种手段和设备系统地研究了碳纳米管阴极强流脉冲发射特性。主要得到以下结论：碳纳米管阴极具有强流脉冲电子束发射能力,在1.61MV的二极管脉冲高压下,获得了108.4A/cm2的发射电流；碳纳米管阴极强流脉冲发射不是理想的场致电子发射,与天鹅绒阴极、碳纤维阴极等阴极强流脉冲发射一样属于等离子体发射；初步分析了在碳纳米管阴极强流脉冲发射实验中,阴极等离子体的膨胀对二极管导流系数和阻抗的影响：通过气体质谱分析发现,碳纳米管阴极强流脉冲发射时伴随有较多的CO2、N2(CO)、H2等几种常见气体的阴极放气,通过分析这些气体成分含量的变化,明确了形成等离子体气体的来源；分析了阴极放气对二极管真空室压强的影响,通过对压强时间变化曲线的数值积分,粗略计算了特定几发实验所引起的阴极放气的放气量为0.06-0.49Pa·L,相应的放气分子数目与电子数目之比为170～350atoms/e-,得到阴极等离子体是弱电离等离子体的结论；实验估测了碳纳米管阴极特征启动时间约为39ns,并且特征启动时间与脉冲场强无关仅与碳纳米管的合成方法相关。通过对碳纳米管阴极强流脉冲发射时的各种特性分析得到阴极发射的机制为场致等离子体发射,明确了场致等离子体发射的具体过程。另外,还说明了场强对碳纳米管阴极强流脉冲发射的影响以及对比研究了天鹅绒阴极与碳纳米管阴极强流脉冲发射时的各种特性。
参考文献：
[1]. 高功率二极管碳纤维阴极的研究[D]. 李立民. 国防科学技术大学. 2004
[2]. 阴极等离子体及阴极表面损伤研究[D]. 门涛. 国防科学技术大学. 2007
[3]. 碳纤维阴极发射机制及对输出微波脉宽的影响[D]. 邓潘. 国防科学技术大学. 2005
[4]. 高功率微波源用阴极材料研究[D]. 钟文丽. 国防科学技术大学. 2008
[5]. 碳纳米管阴极强流脉冲发射特性研究[D]. 谌怡. 中国工程物理研究院. 2011