阴极平板二极管测试状态分析

阴极平板二极管测试状态分析在阴极测试工作中,常常选择水冷阳极的近距二极管构造开展测试,但是在实际测试过程中有较多的测试结果与理论推导是有出入的。尤其是导流系数的在空间电荷区的变化,本文就可能的原因开展讨论和分析,并通过一些计算模拟对测试结果开展解释。

阴极作为大功率真空器件的核心,为满足各类器件的要求而不断更新发展,从最早的纯金属阴极到目前广泛应用的各类扩散阴极。为评估性能,阴极必须安装在一定的测试载体中,目前广泛采用的测试载体通常有两种,一种是专用电子枪,需要较复杂的测试系统,测试成本较高,实施起来有一定难度;另一种常用的测试载体即常说的水冷阳极二级管,构造简单,测试系统容易搭建,较容易实现;但是因为其构造的不一致性等问题,多数人对这种测试结果持保存态度。由于水冷阳极二级管构造简单,测试容易,在实际研究工作依然得到了广泛应用。二极管的伏安特性是评估阴极性能常用方法,通过二极管的伏安特性曲线可以给出阴极的最大发射电流密度。但是在绘制伏安特性曲线时发现,空间电荷区斜率小于理论计算值1.5,即不符合二分之三次方定律。下面就这个问题开展分析和讨论。1、二极管构造及测试系统1.1、二极管构造

测试二极管采用的水冷阳极构造,如图1所示。外壳为玻璃构造,阳极为无氧铜,可以承受较大的功率,最大可至200W;发射体为平面,阴极与阳极面组成平板二极管构造。

图1标准水冷阳极二极管图2二极管测试原理图1.2、测试系统

测试系统由三部分组成:测试二极管,测试电源,电压电流及温度采样。测试电源分为两种,一是直流电源,产生直流高压,支取的电流也是直流。另一种电源为脉冲式,产生脉冲高压,支取脉冲电流。电流电压采样在直流测试时使用一般电表就可以完成。在脉冲测试时采用可以读数或测量的示波器采集数据,温度一般采用亮度高温计测量。图2为二极管测试原理图。1.3、典型的测试结果

图3为实际测试所得的典型的阴极伏安特性曲线,该阴极为覆锇(Os)膜的铝酸盐阴极,阴极直径为3mm,阴极工作温度(亮度温度)为1050℃,采用脉冲方式测试,脉冲宽度为5μs,重复频率500Hz。通过观察其伏安特性曲线可以发现,其拐点电流密度为29.33A/cm2,可以说其发射能力相当可观,但是其在空间电荷区的斜率仅为1.34,也是说在空间电荷区内,其导流系数一直在变化,即逐渐变小。到底是什么原因造成导流系数一直在变小呢?

图3典型的二极管伏安特性曲线图4不同极间距的电场计算模拟2、可能的原因分析2.1、极间距的影响

首先水冷阳极近距二极管为玻璃构造,装架过程采用人工控制,其距离和平行与否都是通过人眼观察,这就造成极间距,及阴阳极的平行度等都存在较大的变数。多数文献在介绍平板二极管构造时都指出,当阴、阳极间距与阴极直径之比小于011时,极间电场分布可以近似为理想的无限大平板二极管。我们目前的实验阴极直径为标准的3mm,为满足理想的平板二极管的要求,阴、阳极间距应小于0.3mm;但在实际工作中,由于在装配时完全凭经验来保证阴极热膨胀后的极间距离,即使水冷阳极的支撑构造件采用了标准尺寸,但极间距离的大小仍是变数。大部分情况下,阴、阳极间距是大于0.3mm的。

本文通过CAD开展的一系列的电场、电子轨迹模拟计算,计算分为加阴极护环与不加阴极护环两种,其电位分布及电力线分布如图4所示,说明一定范围下极间距离变化对电场分布的影响不是很大,而且加不加阴极护环在满足阴极发射性能比对上是基本不受影响的。纯粹从极间距上考虑,极间距的不一致并不能影响空间电荷区的斜率,也不能影响拐点电流密度,但是极间距过大,使得必须加更高的电压才能测试到拐点,使阳极耗散功率过大,使阳极放气,甚至烧毁阳极。2.2、极间平行度的影响

开展二极管测试装架,因为应用的平板二极管构造,极间平行度是必须考虑的问题。但是在实际工作中绝对平行是不可能到达的,因此就应考虑不能到达绝对平行,对测试结果的影响。极间不平行,造成极间各点的距离不一致,使得极间电场不一致。根据二分之三定律,阳极上承受到的电流与极间距有关,但是通过叠加计算,即对极间距开展细分,计算每一个极间距上阳极收集到的电流;为了使计算简单,把极间距分为10个部分,每部分极间距相等,计算各部分阳极电流,得出阳极总电流。根据计算结果发现:在空间电荷区,任何平行度都不影响测试斜率,即无论是否平行测试斜率都是1.5,但是会影响空间电荷区与温度限制区的过渡,如使过渡区变长。

式(2)中,(aX+b)表示极间距,是X的函数;x1,x2是阳极承受区的宽度;L是阳极承受区的长度,dx×L即收集微区的面积,面积归一化处理后,L=1。式(2)变为:

可以看出,在空间电荷区,斜率依然为3/2,与平行度无关。2.3、热胀冷缩效应

在二极管测试过程中,尤其是在连续波测试大电流密度时,电子冷却效应就不能忽略。电子冷却效应造成热胀冷缩结果,在测试过程中,阴极与阳极之间的距离发生变化,造成导流系数变化,从而使空间电荷区的斜率下降。其模拟计算结果见图5。但是这个结果可以解释为什么连续波(直流)测试时斜率更低,因为在连续波测试时