（光学工程专业论文）高功率二极管碳纤维阴极的研究.pdf

闯坊科学技术大学研究生院学位沦文 图表目录 图1 1s h i m e r 研制的碳纤维阴极一 图1 ，击穿延迟与外加电场之i q 的关系一 图1 3 ( a ) 不同阴极启动时川与电场强度之间的关系：一 ( b ) 不同阴极启动刚问与电场变化率之间的关系 图1 4 反键态引起能级的变化 图1 5 几种阴极在不同时间的正面发射图片 - 圈1 6 阴极发射均匀性比较 r 一r 表1 1 不同阴极电子束发散度“ 图1 7 不同阴极材料的二极管气压随时问变化过程 表1 2 天鹅绒阴极、碳纤维阴极出气率比较 表l3 不同阴极本底气压的变化t 图j 8 碳纤维阴极发射机制研究实验装胃 一一一 一 图1 9 碳纤维表面光发射 图2 1 二极管示意图 图2 2 阴极表面“品须”顶端微观图一 图2 3 ( a ) 、( b ) 分别为发射前后的不锈钢阴极电子 1 描照片 图24 ( a ) 、分别为发射前后不锈钢阴极尖端的电子扫描照片一 图2 5 金属阴极电予发射机制模型t 图2 6 碳纤维结构模型 图2 7 碳纤维横断面的微观照片一 圈2 8 通过电解刻蚀方法得到碳纤维横而图一 图2 9 表面闪络模型示意图 图2 1 0 发射前后碳纤维顶端的电子扫描照片 陶2 11 发射i 后碳纤维侧面的电予扫描照片 图2 1 2 碳纤维阴极电子发射机制模型 图2 13 二次电子发射模型 图2 1 4 不同解吸几率下的击穿电压与纤维长度之间的关系 图2 15 不阿解吸量下的击穿电压与纤维长度之问的关系 圈2 1 6 盒属基碳纤维阴极与镅阴极电流波形 图2 17 针式碳纤维阴极与不锈钢阴极电流波形 图2 1 8 表面闪络出气示意图一 图2 1 9 在不同的阴阳极间距下，没有浸渍c s i 的碳纤维阴极表面发光情况一 阁2 2 0 在不同的阴阳极间距下的天鹅绒甜极表丽发光情况 图2 2 1 在二极锸：白j 距为5 0 n u n 时，浸渍了碘化铯后的碳纤维阴极光斑 一 第1 l l页 4巧弓j嗡o 1馆c：。田n b b b b”m硒坶坶如旌m姐筋筋拍勰四黔 团防科学技术大学研究生院学位论文 图2 2 2 ( 1 ) 电场作用时阳j 远远小于极化时间情况下- 的电场和等势线3 0 ( 2 ) 电场作用时问远远大于极化时间情况下的电场和等势线一 一 3 0 图3 1 等离子体膨胀速度随时间的变化3 7 图3 2 不同等离子体膨胀速度下的二极管阻抗3 7 图3 3 电压与电流相位比较一3 8 图3 4 二极管电压与乜流相位一致的波形 ， 3 8 图3 5 二极管甩l 抗随时间的变化 3 8 表3 i 碳纤维、不锈钢阴极阻抗拟合参数 4 0 图3 6 ：极管阻抗拟合结果， 一 。“4 0 图3 7 模拟与实验结果比较 4 0 表3 2 碳纤维阴极二极管拟合值和实际测量值比较4 1 表3 3 不锈钢阴极二极管拟合值与实际测量值比较4 l 图3 8 碳纤维、不锈钢阴极电子发射的有效半径“4 l 图3 9 阴极等离子体膨胀速度 4 l 图3 1 0 二极管电压的波形4 l 图3 ，l1 在不同电压下的二极管阻抗模拟结果( a ) 碳纤维阴极； 不锈钢阴极一4 2 图3 1 2 两种阴极二极管间距随时间变化关系( a ) 碳纤维阴极；c o ) 不锈钢阴极4 4 图3 1 3 在不同阴极半径下的二极管导流系数与间距之间的关系一4 6 图3 1 4 在4 i 同等离子体膨胀速度下的二极管导流系数随时问的变化4 6 图3 1 5 在不同等离子体膨胀速度下的二极管导流系数随时间的变化关系4 7 图3 1 6 碳纤维阴极二极管的导流系数实验结果与理论结果比较4 7 表3 4 不同阴极、阳极对二极管峰值气压的影响4 8 图3 1 7 不同阴极的阴阳极等离子体“4 9 图3 18 在相同的二极管间距( 5 0 m m ) ，浸渍c s l 碳纤维阴极二极管在不同时刻的发光情况5 0 图319 灯心绒阴极二极管在不同时刻的阴阳极等离子体“5 0 图4 1 电流密度二维分布( a ) 为电流密度的轴向分布；c o ) 为电流密度的径向分布5 3 图4 21 、2 、3 、4 分别为脉冲开始后的0 2 、o 7 、1 2 、2 2 9 s 时的阴极等离子体图像5 4 图4 3 用碳纤维阴极轰击有机玻璃目击靶”一5 6 图4 4 用不锈钢阴极轰击有机玻璃目击靶 一5 6 图45 用碳纤维阴极轰击高分子板目击靶_ 5 8 图4 6 用不锈钢阴极轰击高分子板目击靶5 8 图4 7 针式环状碳纤维阴极5 9 图4 8 针式环状碳纤维阴极轰击后的目击靶5 9 图4 9 环状不锈钢阴极轰击后的目击靶“ 。+ 5 9 图4 1 0 多脉冲束发射度测量装置示意图一 一“一 6 0 第 1 v 页 同防科学技术大学研究生院学位论文 图4 1 l 束光斑密度分布示意图 图4 1 2c c d 获得的石英片背景图像一 图4 1 3c c d 得到光斑图象一 图4 1 4 y 方向电子束分布 图4 1 5 石英屏上光斑强度三维分布情况 表5 1 改进型虚删极* 件概况 ”v r 图5 1 虚阴极振荡器产生微波原理图一 图5 2 碳纤维、不锈钢阴极二极管输出电压( a ) 、电流( b ) 表5 2 碳纤维、不锈钢阴极电压、电流实验结果一 图5 3 微波脉冲宽度比较”一”一一 图5 4 碳纤维阴极二：极管输出微波的频率 图5 5 不锈钢阴极二极管输出微波的频率 表5 3 间距调节实验结果 图5 6 微波功率与二极管间距之间的关系 图5 ，7 微波频率与二极管问距之问的关系 表5 4 碳纤维阴极与不锈钢阴极的功率输出比较 削6 1 高速相机 图6 2 高速相机工作原理图 图6 3 不同阴极产生的阴极、 图6 4 光学测量的光路图t 图6 5 光学测量的观察窗一 阳极等离子体 第 v 页 叭矾酡酡酡甜岱砸盯卯醯醯的阳乃乃似m 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 直塑垩三拯筐毯经缍团拯的堡窒 学位论文作者签名：查至堕日期：力。中年，f 月刁日 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阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩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。) 学位论丈题t f l ： 直麴室三拯簦毯红缍豳拯的塑窥 学位论文作者签名 作者指导教师签名 垒丝& 刻至： 腻怍f ，月刁月 同期：2 。口弘年，月2 闩 例防利学技术人。学研究生院学位论文 摘要 作为新型i 刿极，碳纤维阴极具有发射阈值低、出气率低、阴极等离予体膨胀速度慢、 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螳特性的根本原因， 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 攮t 6 | 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 1 c n d l a s 、2 5 c m g s ，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o 9 c m g s 、 2 2 c m g s ，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 o 9 8 c m r t s ，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予束，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1 2 5 6 m m m r a d 、2 1 07 a ( m r a d ) 2 。 作为碳纤维阴极的一种应用，我们在t o m a c h a n 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 - 7 d b m ，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3 0 ，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。 关键词：碳纤维阴极，发射机制，等离子体膨胀速度，电子束质量，高功率微波 第 l 页 凰断科学技术人学科究生院。学位论文 a b s t r a c t a san e wt y p eo fc a t h o d e ，t h ec a r b o nf i 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 s s u c ha sl o w e rt h r e s h o l dv o l t a g eo fe m i s s i o n ，l o w e ro u t g a s s i n gr a t e ，s l o w e re x p a n s i o nv e l o c i t y o fc a t h o d ep l a s m a ，s m a l l e rc h a n g e so fd i o d ep r e s s u r e ，h i g h e ru n i f o r m i t yo fe l e c t r o ne m i s s i o n a n ds oo n ，t h e r e f o r e ，t h ec a r b o nf i b e rc a t h o d ei sag o o dc h o i c eo ft h eh i g hp o w e rd i o d e c a t h o d e ，t h e s ep r o p e r t i e so ft h ec a r b o nf i b e rc a t h o d ea r ea t t r i b u t e dt ot h em e c h a n i s mo fi t s e l e c t r o ne m i s s i o ns oi ti si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et os t u d yt h ee l e c t r o ne m i s s i o nm e c l l a n i s mo f c a r b o l lf i b e rc a t h o d e t h i sp a p e rf i r s t l ye s t a b l i s h e dt h em o d e lo ft h ep l a s m af o r m a t i o nf o rt h ec a r b o nf i b e r c a t h o d ea n dm a d er e l a t e de x p e r i m e n t s t h es u r f a c ef l a s h o v e rm a d ei m p o r t a n tr o l ei nt h e p r o c e s so f e l e c t r o ne m i s s i o no f t h ec a r b o nf i b e rc a t h o d e t h em i c r o - p h o t o so f t h ec a r b o nf i b e r c a t h o d ea r i e l e m i s s i o n sc o n f i r m e dt h ee s t a b l i s h e dm o d e l ，a n dw ee x p l a i n e dt h ee l e c t r o n e m i s s i o np r o c e s sa c c o r d i n gt ot h es e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o na v a l a n c h ea n de l e c t r o n t r i g g e r e dp o l a r i z a t i o nr e l a x a t i o n sm e c h a n i s m s f u r t h e r m o r e ，w ea l s o m a d ee x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n si nt h ec a t h o d el i g n ts p o t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e du n d e rt h ec o n d i t i o n o fu s i n gt h ec a r b o nf i b e rc a t h o d e ，c o m p a r e dw i t ht h ev e l v e tc a t h o d e ，t h et h r e s h o l dv o l t a g eo f e l e c t r o ne m i s s i o nw a sl o w e r ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h el i g h ts p o tw a sm o r eu n i f o r ma n de l e c t r o n e m i s s i o nw a sn o to b v i o u s l yc o n c e n t r a t e do nt h ee d g eo f t h ec a t h o d e ，w h i c hp r o v e dt h ep l a s m a u n i f o r m i t yo ft h ec a r b o nf i b e rc a t h o d e w em e a s u r 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 yt h ee l e c t r i c a lm e t h o d s t h ep l a s m a e x p a n s i o nv e l o c i t yo ft h ec a r b o nf i b e ra n ds t a i n l e s ss t e e lc a t h o d e s ，t h r o u g ht h em e t h o do f d i o d ei m p e d a n c ef i t ，w e l e1 1c m g s ，2 ，5 c m p sr e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n ，t h ee x p a n s i o nv e l o c i t y o fp l a s m af o rt h ec a r b o nf i b e ra n ds t a i n l e s ss t e e lc a t h o d e sc a l lb eo b t a i n e dq u a l i t a t i v e l yb yt h e t e m p o r a ld e p e n d e n c eo f t h ed i o d eg a p ，b yw h i c h t h er e s u l t so f p l a s m ae x p a n s i o nv e l o c i t yw e r e o 9c n v g s ，2 2c m i _ t s a n db yt h em e t h o do ft h ed i o d ep e r v e a n c e ，w ec o u l do b t a i nt h er e s u l to f 0 9 8c m l a sw h i c hw a st h ep l a s m ae x p a n s i o nv e l o c i t yf o rt h ec a r b o nf i b e rc a t h o d e t h e s e s r e s u l t sc o u l di l l u m i n a t et h a tf o rt h ec a r b o nf i b e rc a t h o d e ，c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rc a t h o d e s ， t h ep l a s m ae x p a n s i o nv e l o c i t yw a ss l o w e r ! ! ! ! 旦! ! ! ! ! ! 竺i ! ：! ! ! ! ! ! 垒! 磐! ! ! 竺竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 璺! ! ! 竺! ! ! ! ! ! z ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 里! ! 第2页 国防科学技术人学研究生院学位论文 t h ee l e c t r o ne m i s s i o nm o d e l b ym a k i n gt h eb o m b a r d e da n o d e e x p e r i m e n t s ，w ef o u n dt h a tt h e c a r b o nf i b e rc a t h o d ec o u l dp r o v i d e u n i f o r me l e c t r o nb e a m ，i n a d d i t i o n ，a n a l y z e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o m b i n e dw i t ht h em e c h a n i s mm o d e l a saq u a n t i t a t i v e l ye x p e r i m e n t a l r e s u l to ft h ec a r b o nf i b e rc a t h o d e ，t h ed i v e r g e a n c ea n db r i g h t n e s so ft h ec a r b o nf i b e rc a t h o d e w e r er e s p e c t i v e l y1 2 5 6 m m m r a d ，2 x 1 0 7 r m r a d ) 2 a st h ea p p l i c a t i o no ft h ec a r b o nf i b e rc a t h o d e ，t h ec a r b o nf i b e rc a t h o d es u b s t i t u t e df o r t h es t a i n l e s ss t e e lc a t h o d eo nt h et o m a c h a ne x p e r i m e n t a ld e v i c e t h ee x p e r i m c n t a lr e s u l t s s h o w e d ：t h ef l a t t o pp h e n o m e n o no nt h ed i o d ev o l t a g ep u l s ew a sv e r ya p p a r e n tf o ru s i n gt h e c a r b o nf i b e rc a t h o d e ，t h a ti st os a y ，t h ep u l s ed u r a t i o no ft h ed i o d ev o l t a g ew a sw i d e n e d ； m o r e o v e r ，u n d e rt b ec o n d i t i o no ft h es a m ep o w e ro fm i c r o w a v e ，t h ep u l s ed u r a t i o no ft h e o u t p u tm i c r o w a v ew a sp r o l o n g e db ya b o u t3 0 ：t h ep e a kp o w e ro ft h em i c r o w a v ew a s e n h a n c e db y5 - 7 d b m a l lt h e s er e s u l t sc a ns h o wt b ec a r b o nf i b e rc a t h o d ec a nh a v ev e r yb r o a d p r o s p e c ti nt h ef i e l do f h i g hp o w e rm i c r o w a v es o u r c e s f i n a l l yt h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ew o r k sw eh a v ed o n eb e f o r ea n da l s op r o p o s e st h en e w i d e a sa n dp l a n si nt h ef u t u r ei n v e s t i g a t i o n s k e yw o r d s ：c a r b o nf 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 y ； q u a l i t yo f e l e c t r o nb e a m ；h i g hp o w e rm i c r o w a v e ( h p m ) 第 3 页 围防科学技术火学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 碳纤维阴极研究现状 强流电子束在高脉冲能量的高功率微波、强激光泵浦、微波等离子体加热等科学研 究领域具有重要的应用前景。比如在高功率微波技术的发展过程巾，先后涌现出了许多 不同类型的高功率微波源，无论哪种微波源【l 】【2 】【3 l ，都是通过电子束与波的相瓦作用把 电子束的能量转化为高功率微波的，因此对于微波的输出而言，电子束质量是至关重要 的。而产生电子束的强流二极管阴极是系统的关键器件。 相对论性电子束具有很高的电流密度和很低的温度，电子束是由二极管阴极产生的， 所以说阴极与电子束之间有密切的关系，阴极直接影响到系统的性能。高功率微波技术 的发展要求阴极能够输出高电流密度、均匀的强流电子束：同时具有低阴阳极等离子体 闭合速度和长寿命的特点，因此需要探索新型阴极。碳纤维作为新型的阴极材料得到国 内外研究人员广泛的关注，图1 1 为s h i f f i e r 4 1 等人研制的碳纤维阴极。实验已经证明了 碳纤维阴极在发射均匀性、阴极等离子体膨胀速度、产生的电子束质量、输出微波功率 与脉宽、阴极寿命等方面明显优于传统的阴极，比如说：金属阴极、天鹅绒阴极。上述 碳纤维阴极优越性取决于其电子发射过程，可是碳纤维阴极的电子发射机制还不明确， 因此碳纤维阴极发射机制的研究十分必要。 1 1 1 碳纤维阴极的特性 国内外科研人员对碳纤维阴极进行了大量的 实验研究，发现碳纤维阴极在性能方面存在许多的 优点，正是山于这些优点使得碳纤维阴极成为该领 域国内外同行关注的热点。我们把这些优点归纳如 下： 1 电子发射阈值低 图i is h i f f l e r 研制的碳纤维阴极 碳纤维阴极启动时间快，闽值电场强度小于 1 0 k v c m 卯，电子发射延迟时间t 与阴极材料和外加电场有关，近似表达式为【6 】： o c ( p c 叩) i s 。 ( 1 1 ) 其中p ，c ，n 分别是朋极材料的密度、比热、纤维的电阻率，t c 是对应于1 0 4 t o r t 蒸汽压的 百1 1 r 一一 日防科学技术人学1 1 ) l = 究生院学何论文 气体温度，e 足微观场强此外微观场强与? 二 极管 乜压成i f 比，可见在阴阳极间距不变的情 况下，启动i b l i 日j 与u 的三次方成反比。图1 2 是在围定i 乞场强度妁啪长速率d e d t = 18 k v ( c m n s l 的条件下，符利刚极材料的电 子发劓延迟时间与f 乜场强度的关系，从图中可 以看出石墨阴极在同等的电场强度的条件下 i 乜了发射延迟是最低的。 帅i i l h d cf d i v o , t c m i l l 一 图i 2 击穿延迟与外加电场之间的关系 文献f 7 1 中比较了几种阴极的启动时间，如图l _ 3 所示。在e = 5 4 j ：0 3 k v c m 和 d e d t = 1 8 0 2 k v ( c m n s ) h , j ，外加电压加上后几种阴极都在2 5 n s 以内有电子发射。但是， 当阴极电压移和d e d r 较低时，除了碳纤维和碳毡( c s l 浸渍和未浸渍的) 阴极之外启动 时间l 都明显较长。加速电场e 低于2 8 k v c m 时，碳纤维阴极的启动1 t 寸i j 明盟低于其他 阴极的启动, f f h j 。l 乜场变化率低于0 5 k v ( c m n s ) 时，碳毡阴极的启动时间优势明显。d l 此可见在相同的电场强度与电场变化率的条件下，碳纤维阴极的启动时间明显 低于其它阴极。 【刹1 3 ( a ) 不同阴极启动时间与电场强度之间的关系： ( b ) 不同阴极启动时间与电场变化率之间的关系 w t z h e n g 等人建立了n c 4 准匹| 而休模型来解释电子发射低闽值8 1 。在氮原子与碳原 子反应的过程中形成了反键念，由于反键态的能级要高于费米能级( 如图1 4 所示) ，这 样就造成逸出功的降低。发射的电流密度服从f o w l e r - n o r d h e i m 方程： 扛等o 唧卜等j z ， i丘， 第5页 _!o：-80z一。|o c，口里00n 陶防科学技术大学研究生院学位论文 其中的a 、b 均为常数，为无量纲的场增 强因子，e 、庐分别为外加电场、阴极材料的逸 出功。很明显，降低逸出功是提高阴极性能最为 有效的方法。我们结合w t z h e n g 建立的模型可 以推断碳纤维阴极发射闽值低可能山于：碳纤维 的表面主要是由层状的石墨组成，在强场条件下 碳纤维表丽的碳原子与吸附在纤维表面的氮原 入一l 1 天 a n t j b o n d n g ( o i p o l l l 爪w 。k 、些竺! ! ! n ? 、 v f i r m b l e v e i 图14 反键态引起能级的变化 予棚1 i 作用形成四氮化碳，从而可以降低纤维电子发射的逸出功，即降低了阴极电予发 射闽值。当碳纤维阴极浸渍了碘化铯后，碳纤维阴极的启动会更快1 9 j 【”川】，s h i f t l e r 等j t 认为主要由于碘化铯容易产生光发射，同时铯的电离能又比较低，这样加入碘化铯会降 低功函数，阴极容易发射电予。 2 等离子体膨胀速度慢 我们在调研过程中，发现许多文献【1 4 1 1 15 1 都提到了一利t 发射特性比碳纤维阴极 更优的阴极浸渍碘化铯的碳纤维阴极，特别是较低的阴极等离子体膨胀速度引起许 多科研机构的极大关注，这也成为了我们的工作重点。文献 1 3 】中给出了经典的实验结 果，显示d 浸渍碘化铯碳纤维阴极的等离子体膨胀速度普遍比没有浸渍碘化铯的阴极要 小。 浸渍碘化铯碳纤维阴极最初是i ：1 ：1 g a r a t 等人提出的并给出了相关的解释是因为碘化 铯产生重的离子。他发现将碳纤维阴极涂上碘化铯在场强为2 1 k v c m 、电流密度为 1 8 7 a c m 2 时，会使等离子体膨胀速度从1 3 3 c m g s 减少到0 4 6 c m “s 。 拿1 9 9 8 年b e n f o r d p r i c e l l 6 1 与d e h o p e 做的实验与g a l a t 等人的实验相比较，在二极管问 场强儿乎大了11 - 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，比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。 文献 1 1 】中专门为t 钡, i l 试碘化铯的特性，分别将石墨实心阴极、石墨碳纤维阴极、天 鹅绒阴极三种阴极涂上碘化铯与不涂碘化铯时的电子发射特性进行试验比较，发现三种 阴极涂上碘化铯后，二极管的闭合时间均有延缓，均能减慢等离子体的膨胀速度。尤其 是涂上碘化铯后的石墨阴极，二极管的阻抗比较稳定，效果最好。 关于浸渍碘化铯的碳纤维阴极等离子体慢膨胀的解释，文献【1 6 】中认为等离子体膨胀 第6页 国防科学技术大学研究生院学能论文 速度取决于吸附在阴极表面质量最轻的粒子。这种解释由于有实验数据证实，被很多研 究者接受。按照这种解释，纯碳纤维阴极等离子体发射时，整个二极管中有碳等离子体 和一些抽真空时剩余的残余空气，那么最轻的粒子就是氢；当碘化铯碳纤维阴极等离子 体发射时，由于碘离子的存在，氢离子和碘离子极容易结合成碘化氢，剩下的最轻的粒 子就是碳。这样就很明显地降低了阴极等离子体膨胀速度。 3 阴极电子发射均匀性好 y a e k r a s j k 7 】等人观测阴极表面的光 发射过程中发现，碳纤维阴极发射均匀。阴 极表面的亮斑并不是均匀地出现，而是彼 此独立地随机地出现。实验观察到这些亮 斑相距几个毫米，亮斑的平均尺寸大小与 阴极材料、加速电场的幅值及增大速度有 关。金属一陶瓷阴极的亮斑直径不到l m m ， 而天鹅绒阴极的比较大有1 - 2 r a m ，在二极 管电压和都减小时，天鹅绒阴极亮斑数目图1 5 几种阴极在不同时间的正面发射图片 也很快减小，但其尺寸大小却增大到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1 5 中可以看出天鹅绒阴极产生的亮斑大但数量少，而碳纤维阴极 亮斑虽不大但数量多且分布的比较均匀，这也正说明了碳纤维阴极发射电子的均匀性。 ( 1 )( j 图1 6 阴极发射均匀性比较 ( 1 ) 碳纤维阴极；( 2 ) 浸渍碘化铯后的碳纤维阴极 a d s h i f f i e r 【l 】【1 6 1 等人用碘化铯浸渍碳纤维阴极明显地提高了碳纤维阴极发射的均匀 性如图1 6 ，这可能与碘化铯降低碳纤维阴极发射阈值有关。 关于电子束的发散度问题，一些文献2 0 1 也进行了相关的研究，采用多针孔的诊断方 第7页 刚防科+ 技术大学研究生院学位论文 法测量了金属陶瓷阴极、碳毡阴极、碳纤维阴极、灯芯绒阴极以及天鹅绒阴极产生的电 予束发散度，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 qqc 6 v v 。 b ! ! 垒2i ! ! ! 堡婴2l 婴磐!i 墅21 堕! ! ! ：! ! 12i ! 垒! ! ! 竺：垡! ：! j m e t a l c ar a i n i c1 7 519 9 0 2 5 0 51 8 3 63 - 6 5 48 2 c a r b o nf a b r i c2 1317 60 2 5 - 0 3 51 8 2 73 4 54 32 0 0 c a r b o nf i b e t s2 12 17 6 0 2 5 0518 3 63 * 65 i1 4 5 c o r d u r o r y 1 7 819 40 7 55 491 0 02 5 v e i v c t1 7 819 70 ，53 667 3 6 5 这里的i 。为二极管电流；币。是二极管电压幅值；6 为针孔间距；为阴极表面发射体 间距：v 1 , n v 分别为电子速度的横向与轴向分量：e n 为归一化发射度：b 为归一化电子 束亮度。经计算最大发散度为灯芯绒阴极在5 3 6 0 o 3 5 0 ，而碳毡阴极与碳纤维阴极的电 子束发教度较小在2 1 5 0 - 4 3 。之间，另外我们还可发现碳毡阴极与碳纤维阴极的电子束亮 度最高，速度的横向分量较小，小的速度横向分量会降低电子束的发散度，这些都说明 了碳纤维阴极产生的电子束质量较高、均匀性好。 4 碳纤维阴极的出气率低 在高功率微波二极管中经常用到天 鹅绒这种阴极材料，但天鹅绒阴极的出气 率很高，天鹅绒阴极仅适用于低束流密度 的二极管，而碳纤维阴极出气率很低( 小 于5 a t o m s e l e c t r o n ) 1 7 1 ，图1 7 是在电流密 度j = 2 4 a c m 2 的条件下的二极管本底气压 随时问变化的过程，可以发现碳纤维阴极 二极管内的气压变化是最小的，表明了碳 纤维阴极的低出气率的特点【7 l 【17 1 。 t l a m s 】 图1 7 不同阴极材料的二：极管气压随时问变化过程 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删，m 和二极管内气体 压强p 成反比，即乙o c1 p 或t m = t l p ，其中t j 在数值上等于单位压强下吸满单原子气体 所需时间。二极管内气体在阴极表面的吸附( 或解吸) 将造成阴极逸出功的变化，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 7 】 比较了常用的天鹅绒阴极与浸渍了碘化铯的碳纤维阴极，其结果见表i 2 中。 第8页 国防科学技术大学研究生院学化论文 表l ，2 天鹅绒阴极、碳纤维阴极出气率比较 从表中可以看出天鹅绒阴极的出气率要比碳纤维阴极的出气率高得多，阴极的出气 率随着二极管气压的增加而升高，可见要降低阴极的出气率，_ 极管气压要尽量的低。 此外在文献【1 2 】中对碳纤维阴极、天鹅绒阴极、金属阴极进行测试，经过上千次发射试 验后，碳纤维具有最小的二极管气压变化，对应具有最小的脉宽的变化。在文献 1 3 】中 曾给出了减小气压增长的预备工序：烘烤结束后应立即置于真空中，加压前将二极管置 于真空中至少2 4 小时，加小电压以激发发射，表面吸附气体。数f 次发射后，气压增长 减少1 5 。提升：极管电压1 0 - 1 5 k v ，数十次发射后再观察二极管气压，直到所需二极管 电压达到预期值为止。这道工序能得到1 2 0 k v 电压以上的平稳电流特性。 表1 3 不同阴极本底气压的变化 1 0 0 0 1 0 0 0 3 0 0 5 0 0 # l a c ko fs t a b i i i t yd o e sn o tp e r m i td e l er m i n a t i o n 在文献 1 9 1 中m a r cs l i t z 等人用剩余气体分析器测量了在重复频率下的不同阴极本 底气压的变化以及原子光谱，分析了本底气体中各种成分对本底气压的贡献，实验结果 见表1 3 中。从表1 3 中，我们可以看出不锈钢阴极发射发射五百次后的本底气压变化了 5 0 m t o r r ，天鹅绒阴极发射1 0 0 0 次后本地气压变化了3 0 m t o r r , 、而碳纤维阴极发射1 0 0 0 次后本底气压仅仅变化了1 5 m t o r r 。从本底气体的成分来看，在各种阴极本底气压中氨 气贡献的气压最大，其中氮气气压最大的为不锈钢阴极，最小的是碳纤维阴极。此外， 以i 锈钢阴极与钏阴檄呈现出脉宽的不稳性，也无法确定经数百次发射后确切的脉宽变化 第9页 如 m # # ：宝0 0 舱 o 0 j 勰七 吼 o 吼 0 一j c = o ， 挖卫 ” 乱o 玑 j 们 m 0 c = 5 5 卜 3 4 5嬲罴 吲防科学技术入学蜘究生院学f 论义 量，而碳纤维阴极发射1 0 0 0 次后，仅减小了3 0 n s ，体现出了碳纤维阴极工作稳定的特 性。m a r cs l i l z 认为不锈钢阴极工作不稳定可能由于它们的电子发射是从阴极边缘开始 的原因。 5 碳纤维阴极寿命长 文献中【1 2 】中发现天鹅绒阴极在个小时内经过2 0 0 0 0 次发射后+ 已经被彻底碳化变 黑，文献 18 中也涉及到表面闪络使天鹅绒阴极在发射过程中不断地释放出蜕化的纤维 物质，导致脉冲次数被限制在1 0 0 0 次。同时进行测试的碳纤维阴极则在两个小时3 5 0 0 0 次发射后丝毫没有观察到蜕化的现象，文献【1 9 1 中也观察到碳纤维刚极在长u 寸问测试后 二极管电流仪有百分之九的减少，1 0 0 0 次发射后碳纤维阴极的电压脉宽下降了3 0 n s ，波 形保持的较好，而天鹅绒阴极的电压脉宽下降了1 2 0 n s ，说明碳纤维阴极的可重复性妤、 寿命长。另外在文献【1 7 中实验结果发现天鹅绒阴极寿命小于7 0 0 0 次，而碳纤维阴极的 寿命在8 0 0 0 次以j 二，浸渍了碘化铯后的阴极寿命更长几乎是没有限制。总之天鹅绒阴极 只能用作非重复频率的微波源，而碳纤维阴极几乎没有寿命的限制。 1 1 2 碳纤维阴极发射机制 碳纤维阴极的很多特性是其他阴极望尘莫及的，而这些特性根源在哪里。就其原因 本质而言，碳纤维阴极这些特性在于碳纤维阴极的电子发射机制。关于碳纤维阴极发射 机制问题，国外也做了一些工作【7 】【2 0 1 ，但碳纤维阴极具体的电子发射过程还并不是很清 楚。为了解释碳纤维阴极特性，我们必须从碳纤维阴极的电子发射机制入手，这也是我 们研究工作的重点。 文献【7 】中y a e k r a s i k 等人用一根碳纤维作为阴极，放在阳极网前面2 2 m m 处，在阳 撒网后置一法拉第筒，进 j ：实验如图1 ，8 所示。实验发现在碳纤维电子发射过程中伴随着 光发_ f | j ，另外更重要的是不仅碳纤维顶端处有发光的现象而且纤维的侧丽也有光发射， 实验结果如图1 9 所示。y a e k r a s i k 认为这种现象只能归因于表面闪络，只有表丽闪络 才能解释这种现象。 y a e k r a