强流同步双阴极二极管电子束模拟与诊断

 高同步性的多电子束能够驱动产生有利于实现相位控制的多束微波，是高功率微波功率合成的关键技术。对单台加速器驱动强流同步双阴极二极管进行了模拟，在二极管阻抗约10 W，输入电压442.6 kV条件下，获得了总功率大于20 GW、总束流为47.6 kA、同步时间差小于6 ns的双电子束。开展了轰击不锈钢目击靶实验和同步双电子束诊断实验，双阴极材料为不锈钢，单个阴极长30 mm，两阴极中心间距为100 mm，阴极发射面采用天鹅绒，单阴极半径为20 mm，在阴阳极最大电压为442.8 kV时，束流峰值总和为48.78 kA，双束流同步时间差保持在4~6 ns范围内，实验结果与模拟符合较好。     

平面二极管爆炸发射阴极特性实验研究

 在电压0.6~1.0 MV,脉冲重复频率为100 Hz条件下,实验研究了爆炸发射阴极的有效发射面积、平均发射电流密度、二极管阻抗、电子束能量损耗机制等特性。结果表明：阴极有效发射面积随时间呈方波变化,在脉冲开始后5 ns内有效发射面积基本达到稳定。在碳纤维、天鹅绒、石墨、不锈钢4种阴极材料中,碳纤维阴极有效发射面积最大且变化相对稳定,并且碳纤维阴极具有最大的平均发射电流密度。二极管阻抗随着阴阳极间隙的增加并非呈平方关系增加,而是呈线性增长,阻抗失配是降低电子束能量传输效率的主要机制。     

碳纤维阴极的电子发射机制

 建立了金属阴极和碳纤维阴极的电子发射机制模型,发射后的阴极和碳纤维阴极的微观照片证实了模型的正确性。实验结果与分析表明：一种优化的阴极应该具备多种电子发射机制,整个阴极的电子发射更均匀,碳纤维阴极的电子发射不仅具有尖端的场发射,而且伴随着侧向的表面闪络(随纹)。此外和金属阴极相比较,处理后碳纤维阴极具有较慢的等离子体膨胀速度(≤1 cm/μs)并使该实验用微波源具有较宽的微波脉冲输出(≥200 ns)。     

强流相对论多注电子束研究进展

研制了基于爆炸发射的扇形和圆柱形多注阴极系统,并开展了强流相对论多注电子束的实验研究。研究发现:扇形多注阴极由于发射端面电场分布严重不均,电子束主要由尖端发射,束斑畸变明显,当每注扇形电子束进入到多注扇形漂移管内时,在空间电磁场的作用下电子束会绕束心旋转,导致束斑的畸变和束流的损失;圆柱形多注阴极发射端电场分布相对均匀,电子束斑畸变较小,每注电子束在多注漂移管内绕束心的旋转不会引起束斑的畸变和束流的损失;由于阴极杆和多注阴极柱的发射,多注电子束品质较差,进入多注漂移管时存在电子束轰击管壁现象,造成束流的损失甚至截止。采用大内径磁场可增大阳极筒内半径,明显提高束流的传输效率。目前,采用功率约6.5 GW、传输效率约89%的相对论多注电子束驱动的多注速调管,可实现GW量级的微波输出。     

碳纤维天鹅绒阴极与化纤天鹅绒阴极的比较

研制了一种碳纤维天鹅绒阴极,并对碳纤维天鹅绒阴极和化纤天鹅绒阴极进行了初步的比较研究。比较结果表明:碳纤维天鹅绒阴极比化纤天鹅绒阴极启动稍慢。在相同的驱动电压条件下,碳纤维天鹅绒阴极产生的微波输出功率有可能优于化纤天鹅绒阴极。但是,由于纤维脱落导致碳纤维天鹅绒产生微波的性能显著下降。在高电压运行中,化纤天鹅绒的纤维尖端由于高温烧蚀而膨胀、弯曲,从而影响了其运行寿命;但碳纤维天鹅绒的纤维尖端在实验运行后没有出现因高温烧蚀而膨胀、弯曲的现象。因此,碳纤维天鹅绒阴极的运行寿命应优于化纤天鹅绒。     

无箔二极管强流电子束空间密度分布初步研究

通过在强磁场条件下,利用环形刀口石墨阴极(刀口尺寸38~39mm)开展电子束轰击收集极内表面铜箔和垂直轰击金属靶片实验,对无箔二极管中电子束的空间密度分布进行了初步研究,并对其产生原因进行了分析。研究结果表明,电子束径向分布在37.2~40.2mm,存在密度较高区域(38.8~39.4mm)和密度最大值点(39.2mm),且均偏向于阴极外侧。无箔二极管环形阴极爆炸发射产生电子束的径向密度分布可用偏态分布近似。     

相对论返波管振荡器齿状阴极

研究了一种齿状阴极的电子束产生传输过程以及对相对论返波管振荡器产生高功率微波的影响。基于SINUS881加速器,利用束流轰击金属靶观测齿状阴极产生电子束在不同轴向位置上的角向分布,并开展了基于环形阴极和齿状阴极的X波段相对论返波管振荡器的实验研究。对不同齿数及尺寸对电子束流特性、器件输出微波功率和脉冲宽度的影响进行了分析。实验结果表明:当阴极的齿数增加到一定数量时,电子束的横向运动使得电子束在径向逐渐趋于分布均匀;与均匀环形阴极的打靶结果近似,此时,电子束对于相对论返波管振荡器产生微波的功率和脉宽影响不大。     

碳纤维阴极对输出脉宽及能量的影响

 在反射三极管实验平台上，通过浸渍碘化铯(CsI)碳纤维阴极与不锈钢阴极实验对比，研究了碳纤维阴极对虚阴极振荡器输出微波脉宽及能量的影响。实验得出碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波脉宽约200 ns，较不锈钢阴极虚阴极振荡器增加了30%；对输出微波脉宽面积近似积分，得出碳纤维阴极虚阴极振荡器与不锈钢阴极虚阴极振荡器的输出微波脉宽面积比值约为2.273，表明碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波能量是不锈钢阴极虚阴极振荡器的2倍左右。分析认为碳纤维阴极的材料特性及其综合发射机制导致阴阳极间等离子体膨胀速度及温度降低，延缓了阴阳极间隙的闭合，从而增加了输出微波脉宽，提高了微波输出能量。     

电子束在微束斑X射线源中运动轨迹的计算

轰击金属靶面的高能电子束束斑大小,是决定微束斑X射线源最终X射线束斑尺寸的关键因素之一.当LaB₆晶体阴极发射电流为60μA时,采用5点不等距有限差分法(FDM)计算了整个仪器内旋转对称电子光学系统电场的分布,并利用Runge Kutta法从LaB₆阴极发射端面开始追踪了电子束在整个系统内部的运动,经计算,聚焦在靶面上的电子束斑直径约为600~1000nm.     

蒙特卡罗模拟分析电子束发射度对照射量空间分布影响

加速器靶前正前方1 m处的照射量是衡量加速器光源辐射能力的重要物理参量。电子束轰击高原子序数靶产生的X射线空间分布具有很强的前冲性,照射量空间分布与电子束的发射度密切相关。采用高斯函数对不同电子束发射度条件下入射电子的空间分布和角度分布进行建模。应用蒙特卡罗方法对电子束打靶的轫致辐射过程进行模拟,分析电子束发射度对照射量的影响。同时还对整靶结构和叠靶结构下的轫致辐射光源照射量进行计算比较。结果表明,电子束的发散角是影响轫致辐射光源照射量的主要因素。与采用整靶结构相比,采用叠靶结构所获得的照射量空间分布基本一致,在正前方小角度范围内（0~4）的照射量有2%~3%的降低。     

金属基底对石墨烯薄膜阴极气体击穿稳定性影响

利用石墨烯二维材料极好的场发射能力和发射稳定性,提出了石墨烯阴极提高气体开关击穿稳定性的技术路线。采用化学气相沉积法和基底腐蚀转移法两种方法制备金属基底石墨烯薄膜阴极。利用扫描电子显微镜和拉曼光谱表征了石墨烯薄膜阴极质量,确认了石墨烯层数和均匀性。实验研究了两种石墨烯薄膜阴极气体开关,在微秒脉冲均匀电场作用下的击穿特性,获得了击穿电压幅值和分散性的变化规律。结果表明:当气体为0.6 MPa N2、电极间距为5 mm时,铜基底石墨烯薄膜阴极平均击穿电压为85.9 kV,相对标准差为3.2%;不锈钢基底石墨烯薄膜阴极平均击穿电压仅为59.8 kV,相对标准差为2.4%。当两种阴极击穿电压均为80 kV时,相对标准差比较,不锈钢基底仅为铜基底的44%。分析认为,不锈钢基底石墨烯薄膜质量优于铜基底,石墨烯薄膜导致阴极表面微观场增强因子更高,表面分布更均匀,在电场作用下场致发射产生均匀稳定的大量初始电子流,降低了气体开关击穿电压,有效提高了击穿稳定性。     

Investigation of field electron microscope tips bombarded with microparticles at limited field emission currents

Mo, Ta, W, and Re field electron microscope (FEM) tips, bombarded with microparticles at limited field emission currents (400 MΩ resistor in series with the FEM tip) were investigated by means of FEM, transmission electron microscopy (TEM), and scanning electron microscopy (SEM). Two groups of tips could be distinguished: One group had a slight tip radius increase to a maximum of 2.5 μm and microcraters were formed along the tip shank. The other group had no detectable tip radius change; however, there was microcrater formation near the tip apex area. FEM patterns showed surface contamination clearly. Heating such contaminated tips and tips where phosphorescent material (Zn:Cd)S had been deposited in less than monolayer concentration by evaporation from a heating coil, resulted in similar sequences of FEM patterns. A new type of microcrater with smooth crater lips could be detected in both groups. These results support the combined microparticle-field emission mechanism [1], which was proposed earlier to be responsible for melting cap and microcrater formation. Excerpts were presented at the 19th Field Emission Symposium, Urbana, Illinois (USA), August 1972.     

电化学刻蚀法制备LaB6场发射微尖锥阵列

采用电化学刻蚀方法,成功制备出单尖的六硼化镧、钼、钨及钨铼合金场发射冷阴极尖锥,并对这几种场发射单尖锥阴极的电子发射性能进行了测试比较.结果表明,LaB₆作为场发射阴极,具有良好的发射性能和稳定性.在〈111〉面单晶LaB₆基片上,用PECVD法沉积非晶硅作掩膜,制备出具有一定高度的LaB₆微尖锥场发射阵列,结果发现,LaB₆基底较为平整,尖锥阵列呈现出各向异性.该结论对LaB₆材料在场发射阴极方面的进一步研究具有重要的指导意义.     

Microstructure and microhardness analysis of the hexagonal oxides formed on the surface of the AISI 304 stainless steel after Nd:YAG pulsed laser surface melting

The laser surface melting (LSM) technique was adopted to modify the surface layer microstructure of the AISI 304 stainless steel in this paper. The results showed that the hexagonal morphologies have been successfully fabricated on the surface after LSM. These hexagons had side lengths of about 0.5-1 μm and were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), field emission scanning electron microscope (FESEM) and high resolution transmission electron microscope (HRTEM). It was proved by the XRD that the stainless steel surface mainly consisted of γ-Fe, Cr₂O₃, Fe₂O₃ and some manganese oxides. The FESEM micrographs showed that the hexagonal oxides were regular hexagons in geometry. The HRTEM micrographs also indicated the presence of the hexagons on the surface of the stainless steel. The spacing values were calculated from the HRTEM micrograph and the SAED pattern, and the hexagonal oxide phases determined by these spacing values were consistent with those verified by the XRD. After LSM, the microhardness of the stainless steel was significantly improved.     

深紫外激光光发射与热发射电子显微镜在热扩散阴极研究中的应用

对热扩散阴极表面微区发射状态进行原位观察和分析一直是热阴极研究的重要课题.本文着重介绍深紫外激光光发射电子/热发射电子显微镜的基本原理及其在热扩散阴极研究中的典型实例.系统配备了高温激活所用的加热装置,样品可被加热至1400℃.系统具有光发射电子、阴极热发射电子、光发射电子和阴极热发射电子联合三种电子成像模式.应用表明,对于热扩散阴极而言,深紫外激光光发射电子像适于呈现阴极表面的微观结构形貌;热发射电子像适于反映阴极表面的本征热电子发射及均匀性;光电子和热电子联合成像适于对阴极表面的有效发射点做出精确定位.     

吉瓦级强流相对论多注电子束二极管的优化设计与实验研究

多注相对论速调管放大器可在较高的工作频段实现GW级功率微波产生,在很多领域得到了发展和应用.多注相对论速调管中强流相对论多注电子束相互之间存在空间电磁场的作用,使得多注电子束从二极管引入多注漂移管,以及在多注漂移管中的传输运动受到影响,导致电子束会轰击到管壁上,早期实验中多注电子束的传输通过率较低.本文对功率数GW的强流相对论多注电子束在二极管与多注漂移管中的运动过程进行了理论分析与粒子仿真模拟,得到强流相对论多注电子束的传输运动规律.对多注二极管的结构进行了优化设计,仿真设计实现强流相对论多注电子束的传输通过率达到99%,并且开展了验证实验研究,实验在电子束电压为801 kV,电流为9.3 kA的情况下,电子束的传输通过率达到92%.     

Size of the localized electron emission sites on a closed multiwalled carbon nanotube

We have measured the size of the localized electron emission sites on multiwalled carbon nanotubes (MWNTs) with caps closed by a fullerenelike structure. MWNTs were individually mounted on tungsten support tips and imaged with a field emission microscope (FEM). The magnification of the FEM was calibrated using electron ray tracing and verified by comparing transmission electron microscope images. The FEM image was also tested for effects of the lateral energy spread. We found ring-shaped emission areas with three flattened sides, of a radius of 1.7±0.3 nm, and separated by 5±1 nm.