（光学工程专业论文）碳纤维阴极发射机制及对输出微波脉宽的影响.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文图表目录图1 1 各种阴极发射延迟与外加电场之间的关系5图1 2 不同阴极肩动时间与电场强度、电场变化率的关系6图i 3 几种阴极光斑拍摄图6表1 1 不同阴极电子束发散度一7表1 2 天鹅绒阴极、碳纤维阴极出气率比较8图1 4z ；同阴极材料的二极管气压随时间变化过程8表1 3 不同阴极本底气压的变化8图1 5p e r r e t 和r u l 卸d 提出碳纤维的条带结构模型l ”j 1 0图1 6d i e f e n d o n 和t 0 k a r s i ( y 提出碳纤维的微原纤结构模型”1 0图1 7b e n e “和j o h n s o n 根据电镜观察提出的皮芯结构模型j 1 0图1 8 碳纤维的葱皮结构模型i i q 1 0图1 9 高模量碳纤维的结构模型”1 l图l l o 碳纤维中的微孔示意1 l图l ，1 1p a n 基碳纤维的徽细结构模型l l图1 - 1 2 碳纤维图片( a ) 碳纤维束( b ) 电镜扫描碳纤维束丝一1 2图1 1 4 不同半径碳纤维阴极基体图1 4图1 1 5 平面复合碳纤维阴极1 4图1 1 6 针式阵列复合碳纤维阴极，1 4图2 2 次级电子发射的普适曲线1 9图2 3 半导体光电发射机理示意图2 1图2 4 场致发射体表面电场的计算2 2图2 5 钨尖发射面积的计算2 2图2 6 场致发射电流与电压的关系( a ) 实验曲线( b ) 理论曲线2 3图2 ，7 不同覆盖物的场致发射试验曲线2 4表2 1 不同覆盖物的逸出功和场致发射常数的实验结果2 4图2 9 真空电弧发生前夕的脉冲电流波形图一2 5图2 1 0 多尖端阵列阴极一2 7图2 1 l 碳纤维多尖端阵列阴极2 8冈2 1 2 等离子体场发射形成过程2 8图2 1 3 不锈钢阴极发射前后尖端对比图2 9图2 1 4 阴极表面“晶须”顶端局部电场增大微观图3 0图2 1 5 圆柱形的场发射微点内的热流量3 0表2 2 场致发射和爆炸电子发射的比较3 3图2 1 6 碳纤维发射前后电镜扫描图3 6图2 1 7 碳纤维阴极发射机制研究实验装置3 6图2 1 8 碳纤维表面光发射3 6图2 1 9 碳纤维阴极阴极发射模型3 7图2 2 0 碳纤维阴极发射模型3 9图3 1 阵列多尖端阴极( a ) 碳纤维阴极( b ) 不锈钢阴极4 3图3 2 针式环状碳纤维阴极4 3图3 3 碳纤维阴极发射电子束轰击有机玻璃靶4 4图3 5 阴极电子束轰击的目击靶，4 5图3 6 在4 4 i m n 、5 4 m m 、6 4 m m 阴阳极问距下，碳纤维阴极表面发光情况4 6图3 7 在5 1 m m 、5 6 m m 、6 6 i n m 阴阳极间距下，天鹅绒阴极表面发光情况4 6图3 8 环状不锈钢阴极发射机制示意图4 7图3 9 针式环状碳纤维阴极发射机制示意图4 7图3 1 0 模拟与实验结果比较5 0图3 “阴极等离子体膨胀速度5 0图31 2 两种阴极二极管间距随时间变化关系( a ) 碳纤维阴极；( b ) 不锈钢阴极5 1第1 1 1 页国防科学技术大学研究生院学位论文图3 1 3 在不同等离子体膨胀速度下的_ 极管导流系数随时问的变化关系5 3图31 4 碳纤维阴极极管的导流系数实验结果与理论结果比较5 3图3 1 5 碳纤维( c s i ) 阴极二极管阴阳极等离子体5 4图3 1 6 天鹅绒阴极二极管阴阳极等离子体。5 4表3 1 不同阴极、阳极对二极管峰值气压的影响5 5图3 1 7 阳极网电子能量透射率( a ) a 1 网( b ) c u 网5 6图3 1 9 铜阳极网和石墨阳极网粒子相位模拟图5 7瞄4 1t 0 m a c h a n 加速器原理示意图6 3图42 反射三极管虚阴极振荡器( a ) 结构图( b ) 实物图6 3图4 3 碳纤维阴极和不锈钢阴极波形对比图( a ) 电压波形( b ) 电流波形6 4表4 1 碳纤维阴极实验数据6 5表4 2 不锈钢阴极实验数据6 5图4 4 微波脉冲宽度比较( 红色一碳纤维阴极：蓝色不锈钢阴极) 6 5表4 _ 3 碳纤维阴极与不锈钢阴极的输出功率6 5图4 5 输出微波脉宽面积近似图6 7图46 碳纤维阴极和不锈钢阴极二极管间距变化图6 8第1 v 页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意学位论文题目：焦红缝豳拯崖牡扭劐盈盘捡出邀遮然壹数塑蝈学位论文作者签名：兰l整日期：缸谚年，月够g学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阕；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行捡索，可以采用影印编印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文题目：堡红丝豳拯发射扭剑盈盘捡出邀遮丛宣曲显喧一学位论文作者签名：墨蓬作者指导教师签名剥乏l日期：埘年，月屿日日期：j 一一，年，月形日国防科学技术大学研究生院学位论文摘要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9 0 以上，稳定性好；其疏松层状和孔隙微观结构具有强吸附性；3 6 5 0 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t 0 m a c h a n 反射三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、阴极制各工艺、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m 浸渍了c s i 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c s i 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只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、二极管间距随时问变化规律及二二极管导流系数的方法) 对极问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 0 c m 儿s ，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m a g l c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t o m a c h a n 反射三极管虚阴极振荡器实验平台上，二极管电流达8 1 1 k a ，电压4 4 0 k v ，其微波输出脉宽大于2 0 0 n s ，较不锈钢阴极提高了3 0 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3 d b 以上；效率也从4 左右增加到近1 0 。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。关键词：碳纤维阴极，发射机制，等离子体膨胀速度，发射均匀性，脉冲宽度第l 页国防科学技术大学研究生院学位论文a b s t r a c tc a r b o n - 6 b e rc a t h o d eh a sl o t so fa d v a n t a g e so v e ro t h e r si nh i g h e ru n j f o m l i t yo fe l e c t m ne m i s s i o n ，s l o w e re x p a n s i o nv e i o c i t yo fc a t h o d ep l a s m a l o n g e rl i f e t i m e ，i o w e ro u t g a s s i n gr a t e ，l o w e rt h r e s h o i dv o l t a g eo fe m i s s i o ne t c b yu s i n gt h ep m p e r l ya p p l i c a t i o no ft h ec a r b o n f i b e rc a t h o d e ，t h eo u t p u tp u i s ew i d t ha n de 币c i e n c yo ft h et h em i c r o w a v es o u r c eh a v eb o t hb e e ne v i d e n t l yi m p r o v e d c a r b o n n b e rb e l o n g st os e m i c o n d u c t o la 1 1 dt h ec a r b o nc o n t e n ti so v e r9 0 ，t h e r e f o r ei ti ss t e a d y i th a ss t r o n gs o r p t i o na b i l 时b e c a u s ej tc o n t a n st h ec o n f i g u r a t i o no f t h e1 0 0 s e n e d1 a y e r sa n dm i c m c o s m i cv o i d s i t ss u b i i m a t i o nt e m p e r a t u r ei sa sh i g ha s3 6 5 0 ，w h j c hc a ni n c r e a s et h ec a t h o d el i f e t i m e t h ec a r b o n - n b e rc a t l l o d ew em a n u f a c t l l r 七dh a so u ro w nf b a t u r ei nm a n u f a c t u r ep m c e s sa n dp r a c t i c a l i t y a n ds o m eb e 仕e rr c s u l t sc o m p a r c dt ot h es t a j n l e s ss t e e lh a v e b e e no b t a i n e di nt h ee x p e r i m e n to fv i r c a t o rv j s u a lc a t h o d eo s c i l l a t o ro fc a r b o n - f i b e rc a t h o d ei nt b m a c h a nd e v i c e a l l t h ep r o p e r t i e so fc a r b o n f l b e rc a t h o d eh a v eb e e na t t “b u t e dt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fc a r b o n f i b e lt h em a n u f a c t u r ep r o c e s s ，e s p e c i a l l yt ot h em e c h a n i s mo fi t su n i q u ee i e c t r o ne m i s s i o n 鲫dw o r k i n gp r o c e s s s oi ti sv e r yv a l u a b l et os t u d yt h ee i e c t r o ne m j s s i o nm e c h a n i s mo f c a r b o n f i b e rc a n l o d e t h e r em a yb em u l t i p l ee m i s s i o nm e c h a n i s m si na no p t i m 泣e dc a t h o d e ，w h i c hm a d et i ec a t h o d ee m j s s i o nu n i f o n n l y t h ee m i s s i o nm e c h a l l i s mo fc a r b o n - f i b e rc a t h o d eh a sb e 翎s t u d i e di nt h i st h e s i s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec a r b o n f j b e rc a t h o d ec o a t e dw i t hc s ih a st h eo p t i m i z e da n dc o m p e t i t i v ee m i s s i o nm e c h a n n i s m i ti sn o to n l yt h em e c h a n i s mo fe x p l o s j v ee l e c t m ne m i s s i o ni nc a r b o n f i b e rt i p s ，b u ta l s ot h en a s h o v e ra n dt r a c k i n gm e c h a n i s mw h i c he x p a n d e dt h ea r e ao fe l e c t r o ne m i s s j o n 蛐dr c d u c e dt h el o c a lc u r r e n td e n s 时a n do h mh e a to nt h es u 柏c eo ft h ec a r b o n - f i b e rt h a t 如n c t i o n e di nt h ec o u r s eo fe l e c t r o ne m i s s i o n m e a n w h i l e ，t h ec a r b o n n b e rc a t h o d ec o a t e dw i t hc s i ，w h i c hi m p m v e dt h ee m i s s i o nu n i f o n n i t ya 1 1 ds l o w e dt h ep l a s m ae x p a n s i o nv e l o c i t i e sb yp r o d u c i n gh e a v yp a n l c l e s ，i sv a | d a t e dt oh a v ec s ip h o t o e l e c t r i ce m i s s i o n t h eu n i f o m l i t yo ft h ee i e c t r o nb e a mp r o v i d e db yt h ec a r b o nn b e rc a t h o d eh a sb e e np r o v e db yt h eb o m b a r d e dt a 唱e te x p e r i m e n t sa n de x p e r i m e n t a li n v es t i g a t i o n si nt h ec a t h o d el i g h ts p o t s t h ev e l o c i t yo f t h ep l a s m ae x p a n s i o nh a sb e e nm e a s u r e db yt h ee l e c t r i c a lm e t h o d s t h em e t h o do fd i o d ei m p e d a n c ef i ta n dt h et e m p o r a ld e p e n d e n c eo ft h ed i o d eg a pa n dt h em e t h o do f t h ed i o d ep e r v e a n c e ，t h er e s u i t sh a v es h o w e dt h ev e l o c i t yo ft h ep l a s m ae x p a n s j o nu s i n gt h ec a r b o nf i b e rc a t h o d ew a sa b o u t1 o c m m s ，w b i c hw a sl e s st h a nh a l fo ft h ev e l o c j t yo ft h ep l a s m ae x p a n s i o no f t h es t a i n l e s ss t e e i i ti st h ec o m p o u n dm e c h a n i s m so f t h ee j e c t m ne m i s s i o na n dt h eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i co fc a r b o n f i b e rc a t h o d et h a tm a d em ee l e c t m ne m i s s i o nm o r eu n i f o m l l y第2 页国防科学技术大学研究生院学位论文a n dt h ep l a s m ae x p a n s i o nm o r es l o w i y m e a n w h i l e ，t h ef a c t t h a tt h ee l e c t r o nd j v e 唱e n c ei ss m a l i e ra n dt h ee l e c t r o nt r a n s m i s s i o ni sh i g h e rt h a nm e t a lf o i li sv a i i d a t e db yp a r t i c i e i n c e l lc o d em a 舀c a tl a s t ，a ni d e at h a tt h ep e r f o n n a n c em a yb ei m p r o v e du s i n gm e s h e dc a r b o n - f i b e ra sa n o d ei nd i o d ew a sb m u g h tf o n a r d t h ec a r b o n f i b e rc a t h o d ew a ss u b s t i t u t e df o rt h es t a i n i e s ss t e e ic a t h o d ei nt h e1 b m a c h a ne x p e r i m e n t a id e v i c e i n0 n eo ft h eb e s ts i n 9 1 ep u l s e ，t h ed i o d ec u n - e n tw a s8 一1 1 l ( a ，t h ed j o d ev o l t a g ew a s4 4 0 k vt l l eo u t p u tp u j s ew i d mo f m i c r o w a v ew a so v e r2 0 0 n s ，w h i c hw a sa b o u t3 0 l o n g e rt h a r is t a i n l e s ss t e e lc a t h o d e ，t h ee n e 唱yo fm i ss i n g i ep u l s ew a so v e rd o u b l e d ，t h ep e a i (p o w e ro f t h em i c m w a v ew a se n h a n c e db y3 d b m ，a n dt h ee 衔c i e n c yw a sa l s or a i s e df 如m4 t ol o a 儿t h e s er e s u l t sh a v es h o w e dt h es u p e r i o r i t yo f m ec a r b o n f i b e rc a t h o d em i c m w a v es o u r c eo v e rt h et r a d i t i o n a lc a t h o d em i c r o w a v es o u r c e t h ec a r b o n f i b e rc a t h o d ec o u k ib eo n eo ft h ep r a c t i c a im e a n st or e a l i s el o n gp u l s e ，r e p e t i t i o na n dh i 曲p o w e rm i c r o w a v ed i o d e k e yw o r d s ：c a r b o n f i b e rc a t h o d e ；e m i s s i o nm e c h a n i s m ；p l a s m ae x p a n s i o nv e l o c i t ye m i s s i o nu n i f o 瑚i t y ；p u l s ew i d t h第3 页国防科学技术大学研究生院学位论文第一章绪论高功率微波( h i 曲p o w e r m j c r o w a v e ，h p m ) 技术是2 0 世纪7 0 年代以来随着脉冲功率技术的发展而产生的一门新兴学科，是脉冲功率技术与等离子体物理学及真空技术相结合的产物。军事应用以及工业应用为高功率微波学科的发展提供了基本动力。基于这种需求的驱动，高功率微波研究近年来取得了飞速的发展。在本论文中，我们所采用的高功率微波定义是指峰值功率大于1 0 0 m w ，频率范围在1 g h z 3 0 0 g i z 的电磁波。高功率微波系统通过_ 极管阴极产生强流电子束，电子束与波相互作用，把电子束的能量转化成为高功率微波。因此电子束的质量和产生电子束的强流二极管阴极是高功率微波系统中至关重要的环节之一。长脉冲电子束二极管是强流脉冲电子束加速器中的核心器件，是脉冲功率技术研究的热点问题之一。长脉冲强流电子束二极管直接关系到脉冲电能转换为电子束能的效率，并最终决定了输出微波的参数。因此，对长脉冲电子束二极管进行细致的研究和技术分析具有重要的意义。1 1 碳纤维阴极的基本概念强流二极管阴极材料的选择是设计和建立h p m 源中最关键的问题之。到目前为 r ，绝大多数军用h p m 源都采用简单的非热电离纯金属面爆炸发射冷阴极( e c c s ) 。这类阴极对真空的要求低。阴极的爆炸发射过程可以产生大量的等离子体，形成实际的电子源，从而产生极大的电流。但这样产生的等离子体对最大脉冲长度和重复频率带来了根本性的限制。由于容易使用、便宜、较低的发射闽值场，天鹅绒阴极在一些h p m 源中得到了应用，但由于其较差的真空性能、过快的问隙闭合以及过短的使用寿命，研究人员正在寻求替代材料。许多研究人员研究了碳纤维阴极，实验证明，碳纤维阴极具有发射闽值低、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。在碳纤维阴极的研发方面取得的巨大成果是研究人员长期努力的结果。尽管如此，仍然还有很多难题没有解决，例如碳纤维阴极的发射机制、对输出微波功率和效率的影响等。因此，对碳纤维阴极的研究是十分必要的。1 1 1 碳纤维阴极的特性由于碳纤维阴极在性能方面具有许多优势，国内外科研人员对使用碳纤维材料做成的阴极进行了大量的实验研究，碳纤维阴极已成为该领域国内外同行关注的焦点。其具有以第4 页国防科学技术大学研究生院学位论文下几个方面的优良特性。1 电子发射延迟时间短阴极电子发射延迟时间f d 与阴极材料和外加电场有关，近似表达式为1 】：匹( p c v ) l s 弓( 1 1 )其中p 为阴极材料的密度，c 为阴极材料的比热，口分别是纤维的电阻率，t 对应于l o 。、o r r 大气压的气体温度，s 是微观场强，c c u( 1 2 )可见在阴阳极间距不变的情况下，延迟时间白与u 的三次方成反比，即0 芘u - 3( 1 3 )大量实验得出，碳纤维阴极启动时间快，阂值电场强度小，浸渍碘化铯( c s l ) 的碳纤维阴极的发射闽值约为l ok v c m 【2 】；天鹅绒阴极发射阈值约为2 7k v c m ；而金属一绝缘体阴极发射闽值约为4 7k v c m ，上升时间长，脉宽比碳纤维阴极和天鹅绒阴极短。图1 】备种阴极发射延迟与外加电场之问的关系( d e 崩产1 8 k v ( c m n s ) )图1 1 是在固定的电场强度增长速率d e 矗 1 8 k v ，( c m n s ) 条件f ，不同阴极材料的电子发射延迟时间与电场强度的关系，从图中可以看出在相同电场强度下，石墨阴极与铜阴极、铝阴极和铅阴极相比较，石墨阴极电子发射延迟时间最短。文献【3 】中比较了金属一陶瓷阴极、天鹅绒阴极、灯芯绒阴极、碳毡阴极( 未浸渍c s i ) 和碳纤维阴极( 浸渍c s i ) 的发射启动时间，如图j 2 所示。在庐5 4 士o 3 k v c m 和d ! 砒壮1 8 士o 2 k v m n s ) 下，外加电压后，几种阴极在2 5 n s 内均有电子发射。但是，当阴极电压u d 和d e d t 较低时，除了碳纤维阴极和碳毡阴极之外，其他阴极启动时间乃都明显增长。从图1 2 ( a ) 看出，加速电场e 低于2 8 k v c m时，碳纤维阴极的启动时间明显低于其他阴极的启动时间。图1 2 ( b ) 显示出，当电场变化率低于0 5 k v “c m n s ) 时，碳毡阴极的启动时间快于金属一陶瓷阴极、天鹅绒阴极和灯芯绒阴极。可见在相同的电场强度与电场变化率条件下，碳纤维阴极的启动时间明显比其它阴极短。第5 页一s2l。i8l ， a国防科学技术大学研究生院学位论文莲邃8 牡v ，栅】嘏谤f k v m + w l( a )( b )图1 2 不同阴极启动时间与电场强度、电场变化率的关系( a ) 不同阴极启动时间与电场强度之问的关系；( b ) 不同阴极启动时间与电场变化率之间的关系2 阴极电子发射均匀性好y a e k r a s i k 嘲等人通过对天鹅绒阴极、碳纤维阴极和金属一陶瓷阴极表面不同时刻发光过程进行拍摄，拍摄时间分别为0 、1 5 0 n s 、3 0 0 n s ，见图1 3 。实验发现碳纤维阴极具有均匀的光发射亮斑，具有很好的发射均匀性。实验观察到阴极表面的亮斑并不是均匀地出现，而是彼此独立、随机地出现。这些亮斑相距几个毫米，亮斑的平均尺寸大小与阴极材料、加速电场的幅值及电场变化率有关。金属一陶瓷阴极的亮斑直径不到l m m ，而天鹅绒阴极亮斑较大，约1 2 m m 。在二极管电压减小时，天鹅绒阴极亮斑数目也随之减小，但亮斑直径却增大到3 4 m m 。碳纤维阴极也观察到类似现象，但没有天鹅绒阴极明显。从图l - 3 中可以看出天鹅绒阴极产生的亮斑直径大但数量少，而碳纤维阴极亮斑小而数目多，且分布均匀，验证了碳纤维阴极发射电子的均匀性。0a d s h i m e r 4 】等人发现用c s i浸渍碳纤维阴极，进一步提高了碳纤维阴极的发射均匀性，这可能与c s l 的光发射特性有关。我们将在后而的章节进行详细地探讨。一些文献d 1 【4 】对电子束的发散度问题进行了相关的研究，采用多针7 l 的诊断方法测量了金属陶瓷阴极、碳毡阴极、碳纤维阴极、灯芯v e l ：! 竺竺? ! “：一竺e 协1 。“m 1 。绒阴极以及天鹅绒阴极产生的电子图1 3 几种阴极光斑拍摄图第6 页国防科学技术大学研究生院学位论文束发散度，实验结果如表1 1 所示。表1 1 不同阴极电子束发散度c a t h o d e t y p ei 。u 。v 1 ，v 岛bi 坠)f 丛)! 些!f 磐型幽i 鲤：婴! !【型i ! 塑：! 型：um e t a l c e r a m i c1 7 51 9 90 2 5 0 51 ，札3 63 65 48 2c a r b o nf 曲r i c2 1 31 7 6o2 5 0 3 51 0 0 3 叫54 32 0 0c a r b o nn b e r s2 1 21 7 60 2 5 0 51 8 - 3 63 - 65 l1 4 5c o r d u m v17 81 9 4o7 55 491 0 02 5v e i v e tl ，7 81 9 7o 53 667 36 5# ：如为二极管电流；为二极管电压；d 为针孔间距；4 为阴极表面发射体间距；矿，和y 一分别为电子速度的横向与轴向分量；岛为归一化发射度；b 为归一化电子束亮度。经计算，灯芯绒阴极发散度最大，约为5 3 6 0 士0 3 5 0 ，而碳毡阴极与碳纤维阴极的电子束发散度较小约为2 1 5 0 4 3 。，另外还发现碳毡阴极与碳纤维阴极的电子束亮度较高，电子速度横向分量较小，从而降低了电子束的发散度，证明了碳纤维阴极产生的电子束质量较高、均匀性好。3 等离子体膨胀速度慢文献哪6 】【7 】【8 1 中都提到了浸渍c s i 的碳纤维咧极性能要优于没有浸渍c s i 的碳纤维阴极，特别是浸渍c s i 的碳纤维阴极中，其低等离子体膨胀速度引起许多科研机构的极大关注，这也成为了本论文的工作重点。文献【6 】中给出了经典的实验结果，显示出浸渍c s i 碳纤维阴极的等离子体膨胀速度普遍比没有浸渍c s i 的碳纤维阴极要小。浸渍c s i 碳纤维阴极最初是由g a r a t c 等人提出的并给出了相关的解释，他们认为c s i 电离产生重离子，而导致阴阳极等离子体膨胀速度减慢。他发现将碳纤维阴极涂上碘化铯在场强为2 l k v c m 、电流密度为18 7 a c m 2 时，会使等离子体膨胀速度从1 3 3 c m “s 减少到0 4 6 c m u s 【酣。1 9 9 8 年b e n f o r d 【9 1 与d e h o p e 实验得出浸渍c s i 碳纤维等离子漂移速度为o 5 9 士0 1 6 c m u s ；碳毡阴极为2 0 8 o 7 l c i t i u s ，其二者速度比为3 5 。与g a r a t e 等人的实验相比较，在二极管问场强几乎大了l l 1 4 倍的情况下，等离子体膨胀速度的增加低于2 倍。但他们所作实验的电流密度很小，而较大的电流发射密度是我们追求的目标之一。具有大的电流发射密度、低的等离子体膨胀速度以及长寿命阴极是高功率、长脉冲微波源的理想阴极。4 碳纤维阴极的出气率低根据分子运动论，一个洁净的表面，吸附单原子层气体所需时间0 和二极管内气体压强p 成反比，即f 。c c l 尸或f 。= f ，p ，其中，在数值上等于单位压强下吸满单原予气体所需第7 页国防科学技术大学研究生院学位论文时间。二极管内气体存阴极表面的吸附( 或解吸) 将造成逸出功的变化，进而使发射不稳定，引起发射电流的很大变化，因而二极管需要出气率低的阴极。文献 1 1 比较了常用的天鹅绒阴极与浸渍了c s i 的碳纤维阴极，其结果见表1 2 中。表1 2 天鹅绒阴极、碳纤维阴极出气率比较从表1 2 中可以看出碳纤维阴极出气率明显低于天鹅绒阴极，其出气率 1 ，就会出现电子倍增，即相对于注入电子，有更多的电子从固体中发射出来。由此导致的电子雪崩增长可能最初只是来源于少数入射电子，这些少数入射电子可以通过如场致发射的方式而产生。随特定材料、场强以及其他参数的不同，电子雪崩过程往往可在材料遭到破坏之前就达到一个饱和点。由于二次电子发射时很复杂的物理过程，d 跟原电子速度、原电子打到物体上的角度、物体的逸出功、物体的表面状况以及物体的温度等很多因素有关。d 是初始电子碰撞能量f 。的函数，我们对金属、半导体、绝缘体) 的d 进行了非常仔细地测量。一个非常重要的参数是最大次级电子产生率如。，以及对应如。的初始电子能量f 。将各种数据对如。和f 。归一化后，发现这些数据是围绕一一个具有普遍意义的f f i 线而成簇分布的( 图2 2 ) 。p 一图2 2 次级电子发射的普适曲线( 6 6 。一随l i 。一变化)次级电子产生率的变化范围对于般金属为0 5 1 _ 8 ，对某些金属氧化物约为3 1 5 ，对于粗糙表面的碳约为0 3 ，比光滑碳表面要小口”。类似地，f 。的变化范围为2 0 0 2 0 0 0e v 。v a u 曲a n 提出了一个精度很高的经验公式来描述次级电子产生率与入射电子国防科学技术大学研究生院学位论文参数之间的关系口6 】：s a l o w 和b m i n i n g 各自提出了半经验的次级电子发射理论模型2 ”，它们同时得出了如。与材料的密度近似成正比，而与材料电导率和逸出功成反比的结果。这与实验中观察到的重金属比轻金属的次级电子发射严重，以及低电导率的绝缘体可以具有非常高的次级电子产生率相吻合。2 1 3 光电发射光电发射是将光能转变为电能的一种形式，也是一种重要的电子发射形式。在许多种将光信号转变为电信号的器件( 如光电管、光电倍增管等) 中都要利用光电发射。光电发射是电子束光器件中不可缺少的组成部分。另一方面，在一些不利用光电效应的电子管中，也会发生人们所不希望的光电发射现象。因为在电子管中，电子流总是一高速度打到阳极上，这时，会发出x 射线，而这些x射线照到别的电极上，会使这些电极发射光电子，形成所谓本底电流或噪声电流。因此，研究光电发射是研究真空器件的重要课题之一。根据光的量子理论可以很容易的解释光电发射的概念。当光照射物体时，物体中的电子吸收了光的能量，就获得足够的动能克服金属边界的势垒而逸出成为光电子。每个光电子的逸出都是吸取了一个光子能量自v 的结果。因此，光越强，即单位时间内作用丁阴极的光子数越多，就有较多的电子可能从阴极逸出。同时，入射光势垒逸出界面后，具有较大的动能，且与光强无关，即1去m v 2 一= 加一九( 2 3 )z式中，为金属逸出功。当入射光频率降低到h 时，光电子最大初动能降为零，即0 = v 0 一九( 2 4 )所以：盟( 2 5 )。向这就是红阈频率。入射光的频率如低于v 。，则金属中处于最高能级的电子在取得这个能量后不足以克服表面势垒，即不能成为发射到真空中的光电子。从理论上严格地求出不同频率的光所激发出来的光电流是有很大困难的，因为我们不知道不同能量的电子对不同频率的光子的吸收几率，也不知道电子吸收光子后垂直于金属表而的速度分量。光电阴极大致可以分为三类：( i ) 表面纯净的金属一般金属在可见光和近紫外光谱区域内具有高光学反射率和低第2 0 页国防科学技术大学研究生院学位论文光学吸收，加上金属中自由电子多，被激发的光电子逸出深度浅，因此它的量子产额( 电子光子) 较低。( 2 ) 薄层光电阴极一般条件下很难获得纯净的金属表面，所以通常的金属光电阴极都吸附有异种元素原子，形成薄层光电阴极。当吸附外来原子形成电正偶极层时( 例如碱金属原子) ，就降低了金属的逸出功而使光电发射增加；当吸附外米原予形成电负偶极层时( 例如氧、卤素) ，就增加了逸出功而使光电发射减少。在光的长时间照射下，表面吸附的原子会蒸发和扩散，使表面吸附的原子数日发生变化，从而引起光电灵敏度经常发生变化，即发生衰老现象。这类光电阴极属于表面光电发射，而表面状态的最大光学吸收低于1 0 ，试验证明，表面量子效率的最大值一般小于10 3 电子光子【2 9 。( 3 ) 复杂阴极这类光电阴极的光谱特性，在某些频率下光电流有最大值，称为选择性光电效应。带止l一-一。卜【z。岛半尊捧图2 _ 3 半导体光电发射机理示意罔复杂光电阴极的光电发射机理属于体效应的半导体光电发射，半导体的光电发射可以认为经过三个过程( 如图2 _ 3 所示) ：光子被吸收，激发电子；被激发的电子向固体和真空界面运动；电子越过固体的表面势垒而向真空逸出。图2 f 3 画出了半导体的能带圈，疡是禁带宽度；z 导带底与真空能级之差，称为电子亲合势；西是真空能级与费米能级e ，之差，称为热逸出功，它决定了材料的热电子发射； v 。是真空能级与价带顶的差，称为光电逸出功中，。厅= z + e 。2 1 4 场致发射在金属表面作用一个强电场时，固体表面势垒被降低，电子以隧道效应逃逸出来，而获得大的电子发射电流密度( 1 0 7 a c m 2 ) ，这叫场致发射。这是获得大功率密度电流的有效方法。超高真空技术的进展为场致发射的应用开辟了前景。一、金属场致发射场致发射的实验研究早期是在金属尖端上进行的。如尖端半径在o 1 l n m 范围，阴极与阳极距离在l c m 左右，则当两电极间加上l l o k v 电压，即町得到1 0 7 v c m 数量级的电场强度。尖端制备工艺十分简单，一般采用电解腐蚀法【3 0 1 。第2 i 页国防科学技术大学研究生院学位论文为验证场致发射公式，必须考虑表面电场的计算及尖端发射面积问题。在不考虑空间电荷影响的情况下，表面电场f 正比于阳极阴极之间的电压u ，即乒u 是常数，称电场系数，它与阴极形状及阴阳距离有关。表面电场计算可用不同的近似法，最简单的近似法是把尖端看作抛物线旋转体如图2 4 所示。k图2 4 场致发射体表面电场的计算把阴极也看作是同焦点的抛物线旋转体，则尖端表面电场可按下式计算：孝= 膨= 等( 2 6 )其中，是尖端半径；月是尖端和阳极间距离。发射面积的计算影响电流密度的值。严格地说由于原子排列的特点，尖端表面各处原子排列密度、逸出功和场强都有所不同，因此表面各处的电流密度是不同的。如果用灵敏光度计测量不同位置的光度分布( 它反映电流密度分布) ，在相同极角口( 见图2 5 ( a ) ) 下求各方位角相对电流密度的平均值，则可得出平均的相对电流密度与口的关系，如图2 ，5 ( b ) 所示。从该曲线可以看出，电子主要是从拈6 0 。范围内发射出来的( 在此范围外j n d 口) 。在8 从o 3 0 。范围内，电流密度相当均匀。故发射面积可按极角为目的圆球表面计算“= 2 珊2 ( 1 一c o s 们( 2 7 )( a ) 尖端的极角( b ) 不同极角电流密度的平均值图2 5 钨尖发射面积的计算当日取3 0 。或6 0 。时，电流密度大约相差5 0 ，这个差别相对其它不确定因素来说还是较小的。此外还要考虑到当电场增强时，发射区域会进步扩大：例如，当印x l o ，v ，c m时，目可扩大到9 0 。，因此有时取毋= 6 0 。实验求出的电压电流曲线如图2 6 ( a ) 所示。在电压较低。电流密度较小时，可用直第2 2 页国防科学技术大学研究生院学位论文流量测。在电流密度较大时，必须用脉冲测量，避免发射电流对尖端的加热。图2 6 ( b )是理论计算曲线，其上a 、c 点是从实验求出的【数据，经转换为j f 关系而得到的。g g 线对应于表面势垒降至费米能级的场强。( a ) 实验曲线( b ) 理论曲线图2 6 场致发射电流与电压的关系( a ) 实验曲线( b ) 理论曲线通过( a ) 图可以看出，从a 到c 曲线近似是直线，在这部分j 6 1 0 6 a c m 2 。从c 到e ，电流密度低于虚线，这是由于场致发射电子的空间电荷的影响。在电流密度小于1 0 8 a c m 2 ( 相当于e 点) 的范围内，电流电压关系是可重复的。电流增到更大的电流密度，将发生真空电弧，阴极的形状就要发生永远的改变。给出著名的f o w l e r - m o r d h e i m 公式场致发射公式( 低温发射) 【3 1 ：，= 彘斗案譬叫c z 鼬户丽赢而“p l 一1 f 亨钗川i娌8 其中儿：立茎望，单位是a c m 2 ；f 用v c m ；西用e v 计算，m 。r d h e i m 函数p 咖)可查表查出。考虑到口嘞j 是f 的慢变函数，把公式( 2 8 ) 近似为刚冉冲愕j幢根据场致发射的理论公式，发射电流密度和逸出功有很密切关系。从公式( 2 9 ) 可以看出，场致发射电流密度公式在形式上热发射公式很有相像之处。见公式( 2 1 ) ，当丁改变时，指数性地变化，因为起主要作用的是指数项中的上，而砰项相对来是丁的慢变化：7 ；同样，在场致发射公式中，j 和f 的函数关系虽然复杂，但当 改变时，起主要作用的也是指数项中的三，因为r 和曰。都是慢变函数。如在实验管中装有活性物质( b a 、c s 、k ) ，把这些物质的原子蒸发到钨尖上，则可以第2 3 页国防科学技术大学研究生院学位论文改变尖端的逸出功。如果尖端表面覆盖多层外来物质原子，则其逸出功应当与覆盖物相同如覆盖度不到单原予层并处在最佳覆盖度情况下，则逸出功相当于最佳覆盖下的逸f + 功。图2 7 给出对不同覆盖物的实验结果。滁吣lf 。蕊l|心潋lk、n 除* “试心陵从协伊对，臂曲线的斜率可求出逸出功。从曲线与纵坐标的交点可算出常数项a 。实验求出的逸出功值( 见表2 1 ) 和用热发射或光电发射求出的值很接近。此外，根据理论公式，场致发射公式常数项。篁：曼冀尘盘羔。一：生丝业( 2 1 0 )图2 7 不同覆盖物的场致发射试验曲线一d、l ( 、- b a ) 叫：2 一( w _ i 1 0 6 1 0 7 a c m 2 ，脉冲 5 1 0 7 1 0 8 a ，c m 2 ，将发现发射电流自动上升，最后形成真空电弧，见图2 8 。使尖端熔化变钝，如图2 8中虚线2 所示。关于真空电弧形成的原因，实验和理论都证明是由于发射电流通过尖端时对尖端的加热，使尖端升温，引起热场致发射，发射电流的进步增加使尖端温度进一步上升，如此恶性循环，直到最后尖端材料大量蒸发，熔化而形成真空电弧。脉冲运用时，第2