复合阴极材料发射特性分析

 基于对爆炸发射点火机制的分析,提出了介质增强场致爆炸发射的设想,研制并实验研究了金属-介质复合阴极的电子发射特性;同时,基于对表面闪络爆炸发射机制的分析,研制出了石墨-碳纤维复合阴极并进行了初步实验研究。研究结果表明,金属-介质复合阴极与石墨 碳纤维复合阴极电子发射密度均超过17 kA/cm²,使用寿命预计超过10⁵次。     

阴极强流多脉冲发射特性研究

实验研究了几种阴极的强流猝发多脉冲发射特性. 研究结果表明, 天鹅绒阴极产生的猝发强流双脉冲电子束亮度优于1×10⁸A/(m.rad)², 而直立碳纤阴极产生的强流三脉冲电子束的亮度也优于3×10⁷A/(m.rad)², 并有进一步提高的可能. 新型的冷场致发射阴极如纳米金刚石膜阴极和纳米碳管阴极也具有强流发射能力, 实验得到的发射电流密度大于50A/cm².文中还给出的大发射面储备式热阴极的实验结果, 并对相关阴极实现稳定强流多脉冲发射的研究方向和应用前景进行了分析.     

大面积环状LaB6阴极

 介绍了一种用于管状电子束发射的大面积LaB₆阴极电子源，其阴极发射面积为115 mm²，LaB₆发射体用钼作基底，在LaB₆与钼之间用耐高温的碳化物粘合剂填充以防止LaB₆与钼发生反应。采用电子束轰击的方式加热LaB₆发射体，当阴极温度为1 873 K时，加热功率为173 W，直流发射电流密度达到40 A/cm²。与用石墨加热LaB₆发射体相比，该电子源加热功率降低了66%。阴极在室温下反复暴露于大气后其发射性能稳定。     

重复脉冲强流电子束源长时间稳定运行实验研究

 简要阐述了脉冲变压器型重复脉冲强流电子束加速器CHP01的组成、主要特点及工作原理,利用设计的重复脉冲强流电子束源进行了长时间运行实验研究,实验结果达到：在100 Hz重复频率下连续运行5 s,脉冲变压器能稳定输出电压1.15 MV,强流束二极管输出电压超过800 kV、束流7 kA、脉冲宽度45 ns,阴极电子发射密度超过10 kA/cm²,且运行稳定可靠。利用该电子束源进行了X波段类周期慢波结构微波器件实验研究,在50 Hz重复频率下连续运行5 s,输出微波功率超过1 GW,脉冲宽度大于25 ns。     

无铅铁电陶瓷电子发射性能

 铁电阴极材料，作为一种新型的功能材料，以其高的发射电流密度等优点而受到重视。鉴于目前研究的铁电阴极材料多局限于锆钛酸铅等含铅材料，作者采用无铅铁电陶瓷Na₁/2Bi_1/2TiO₃-BaTiO₃(BNBT)，进行了电子发射实验，获得发射电流密度达20A/cm²。初步实验结果表明，与锆钛酸铅相比，钛酸铋钠发射电流密度略低但性能稳定性较好。作为无铅铁电阴极，BNBT仍然具有良好的研究开发价值。     

高性能强流脉冲电子束源关键技术研究

强流脉冲电子束源是高功率微波系统的核心部件之一,针对未来应用需求,亟需从绝缘、束流输运和热管理等多个方面提升强流束源技术性能。介绍了国防科技大学在高功率微波源用强流真空电子束源方面的研究进展。针对高功率微波管保真空需求,基于陶瓷金属钎焊,设计并研制了一种强场陶瓷真空界面,耐压大于600 kV、平均绝缘场强达到44 kV/cm、耐受脉宽大于80 ns,重复频率运行稳定;研制了一种基于SiC纳米线的强流电子束源冷阴极,在90 kV/cm的场条件下获得了1.17 kA/cm2的束流密度,相比传统天鹅绒阴极,SiC纳米线阴极的宏观电稳定性、发射均匀性及运行寿命均得到显著提高;针对相对论返波管,研制基于螺旋水槽型的强流电子束收集极,克服了高比能和低流速的矛盾,耐受热流密度达到1012 W/m2,能够满足系统长脉冲、高重复频率运行要求。     

多晶LaB6阴极的脉冲热发射特性

 采用多晶LaB₆材料制成平板二极管阴极，阳极采用钼材料，阴极采用热传导与热辐射加热，加热体为石墨。实验研究了不同阴极温度、不同真空度下的脉冲发射特性，并对热发射稳定性进行了分析。结果表明： 在动态真空系统中， 阴极发射面积为0.012 1 cm²， 工作真空度为2×10^-4 Pa， 阴极温度分别为1 600， 1 650和1 700 ℃，在脉冲宽度为40 ms、重复频率为107 Hz的条件下，最大脉冲发射电流密度分别为34.0，44.0和53.8 A/cm²; 2×10^-4，5×10^-4和2×10^-3 Pa压强下的发射能力没有明显的差异;脉冲宽度的变化不影响发射电流密度的变化。     

铁电介质阴极电子枪

 给出并分析了铁电介质阴极电子枪的初步数值模拟和实验结果。实验表明其发射电子密度可达110A/cm²。该种电子枪产生的电流密度大于阴极发射电子初始能量为零时的空间电荷限制电流,PIC数值模拟结果表明可以通过给发射电子赋予一定的初始能量来解释这一现象,理论分析认为铁电介质阴极发射电子具有初始能量是合理的。     

大直径钪酸盐阴极发射特性

 为获得kA级热发射电子束,研制了直径为100 mm钪酸盐热阴极组件,并建立了适应大面积热阴极实验环境的2 MV 注入器试验平台。实验在二极管真空3.7×10^-5 Pa、二极管电压1.95 MV、脉宽120 ns（FWHM）、阴极温度1 120 ℃时,获得最大收集电流1 038 A,发射电流密度约13 A/cm²。实验结果表明,工作状态下阴极发射能力与激活温度、系统真空度关系密切。     

铁电阴极制备与性能实验研究

 讨论了不同发射机理对铁电阴极材料性能的要求,对PZT（锆钛酸铅）系铁电陶瓷工艺过程中的关键步骤进行了研究。通过掺杂改性和改进预烧条件等手段,有效地改善了材料的性能参数,制备出相对介电常数大于3 000的弛豫相铁电陶瓷和压电常数大于500×10^-12C/N的铁电相铁电陶瓷。在初步的发射实验中,使用改进工艺后的PLZT8/65/35制备的铁电阴极,触发脉冲5.4 kV时,获得的发射电子电流密度达到800 A/cm^{2/sup>,远大于C-L定律计算的发射电流。}     

碳纳米管阴极的强流脉冲发射性能研究

采用丝网印刷和涂敷方法制备了两种碳纳米管阴极，并研究了两种阴极的强流脉冲发射特性，表征了阴极表面碳纳米管的形貌及分布.研究结果表明在脉冲宽度为100 ns、电压为1.64×10⁶ V的脉冲电场下，涂敷法制备阴极的场发射电流最高达5.11 kA，最高发射电流密度达260 A/cm².丝网印刷法制备阴极的场发射稳定性优于涂敷法制备阴极，但其发射电流低.阴极表面发射体的形貌与分布影响了阴极的脉冲发射性能.碳纳米管阴极的脉冲发射机理为爆炸电子发射.碳纳米管阴极可以作为强 关键词： 碳纳米管 阴极 脉冲发射 强电流     

InN纳米线的低压化学气相沉积及其场发射特性研究

利用低压化学气相沉积方法在以Au作催化剂的Si衬底上生长了InN纳米线. 扫描电子显微镜分析表明，这些纳米线的直径在60—100 nm的范围内, 而其长度大于1 μm.高分辨透射电子显微镜图像表明，合成的纳米线中含有六方相和立方相的InN晶体.这些InN纳米线具有良好的场发射特性和稳定的场发射电流，其开启场为10.02 V/μm(电流密度为10 μA/cm²)，在24 V/μm 的电场下，其电流密度达到5.5 mA/cm².此外，对InN纳米线的场发射机理也进行了讨论. 关键词： InN纳米线 场电子发射 非线性Fower-Nordheim曲线     

太赫兹源场致发射电子源

通过粒子模拟(PIC)软件模拟计算了在ps级别下二极与三极结构碳纳米管场致发射的电流密度与电子注聚焦性能。阳极电压在2 kV时,二极结构下电流密度达到1.85 A/cm2;三极结构下,栅压700 V时发射电流密度达到2.3 A/cm2,且在一定的三极结构参数与电极电压下,可以获得较好的电子注聚束效果。通过碳纳米管二极管发射实验,获得了6.6 A/cm2的发射电流密度,总发射电流达到52.1 mA,可以为太赫兹器件提供连续发射的电子注。     

碳纳米管阴极强流脉冲发射特性实验

 在2 MeV直线感应加速器注入器平台上研究了采用浸渍涂覆方法制备的大面积碳纳米管阴极发射体的强流发射特性。研究结果表明：在脉冲高压电场下,碳纳米管阴极具有强流电子束发射能力,发射电流密度较大;碳纳米管阴极发射电子过程为场致等离子体发射。实验过程中,阴极端取样电阻环收集到的最大发射电流达350 A,阳极端法拉第筒收集的发射电流为167 A,最大阴极发射电流密度为19.4 A/cm²。     

丝网印刷制备碳纳米管阴极的强流脉冲发射特性研究

采用丝网印刷法制备了一种大面积的碳纳米管阴极,表征了阴极表面碳纳米管的形貌及分布.研究了该阴极在不同脉冲条件下的高压脉冲发射特性,分析了发射时阴极面等离子体产生和发射点的分布.研究表明：碳纳米管阴极的脉冲发射机制为爆炸电子发射,在平均场强为16.7V/μm的单脉冲电场下,阴极的最高发射电流密度为99 A/cm².在平均场强为15.4 V/μm的双脉冲电场下,阴极的最高发射电流密度为267 A/cm².碳纳米管阴极可以作为强流电子束源在高能微波器件中得到应用. 关键词： 强流脉冲电子束 碳纳米管 阴极 丝网印刷     

Enhanced field emission and patterned emitter device fabrication of metal-tetracyanoquinodimethane nanowires array

Ag(TCNQ) and Cu(TCNQ) nanowires were synthesized via vapor-transport reaction method at a low temperature of 100 °C. Field emission properties of the as-obtained nanowires on ITO glass substrates were studied. The turn-on electric fields of Ag(TCNQ) and Cu(TCNQ) nanowires were 9.7 and 7.6 V/μm (with emission current of 10 μA/cm²), respectively. The turn-on electric fields of Ag(TCNQ) and Cu(TCNQ) nanowires decreased to 6 and 2.2 V/μm, and the emission current densities increased by two orders at a field of 8 V/μm with a homogeneous-like metal (e.g. Cu for Cu(TCNQ)) buffer layer to the substrate. The improved field emission is due to the better conduct in the nanowires/substrate interface and higher internal conductance of the nanowires. The patterned field emission cathode was then fabricated by localized growing M-TCNQ nanowires onto mask-deposited metal film buffer layer. The emission luminance was measured to be 810 cd/m² at a field of 8.5 V/μm.     

Generation of a pulsed high-current low-energy beam in a plasma electron source with a self-heated cathode

The transition of a low-current discharge with a self-heated hollow cathode to a high-current discharge is studied, and stability conditions for the latter in the pulsed–periodic mode with a current of 0.1–1.0 kA, pulse width of 0.1–1.0 ms, and a pulse repetition rate of 0.1–1.0 kHz are determined. The thermal conditions of the hollow cathode are analyzed, and the conclusion is drawn that the emission current high density is due to pulsed self-heating of the cathode’s surface layer. Conditions for stable emission from a plasma cathode with a grid acting as a plasma boundary using such a discharge are found at low accelerating voltage (100–200 eV) and a gas pressure of 0.1–0.4 Pa. The density of the ion current from a plasma generated by a pulsed beam with a current of 100 A is found to reach 0.1 A/cm². Probe diagnostics data for the emitting and beam plasmas in the electron source are presented, and a mechanism behind the instability of electron emission from the plasma is suggested on their basis.     

PLD synthesis of GaN nanowires and nanodots on patterned catalyst surface for field emission study

Patterned gallium nitride nanowires and nanodots have been grown on n-Si (100) substrates by pulsed laser deposition. The nanostructures are patterned using a physical mask, resulting in regions of nanowire growth of different densities. The field emission (FE) characteristics of the patterned gallium nitride nanowires show a turn-on field of 9.06 V/μm to achieve a current density of 0.01 mA/cm² and an enhanced field emission current density as high as 0.156 mA/cm² at an applied field of 11 V/μm. Comparing the peak FE current densities of both the nanowires and nanodots, the peak FE current density of nanowires is around 700 times higher than that of the peak FE current density of nanodots since nanodots have a lower aspect ratio compared to nanowires. The field emission results indicate that, besides density difference, crystalline quality as well as the low electron affinity of gallium nitride, high aspect ratio of gallium nitride nanostructures will greatly enhance their field emission properties.     

碳纳米管阴极的短脉冲爆炸场发射与等离子体膨胀

采用碳纳米管制备了一种强流电子束发射阴极,并对碳纳米管阴极在双脉冲条件下的强流发射性能进行了研究.在双脉冲条件下获得了245 A/cm²的强发射电流密度,阴极的开启时间约为40 ns.采用高速分幅相机和CCD相机对强流电子束在空间和时间的分布进行了研究.研究表明连续脉冲实验时,离子体及其膨胀对发射电子束的强度和分布影响很大,双脉冲时脉冲间隔时间内等离子体的膨胀速率约为8.17 cm/μs.等离子体形成时没有优先位置,电子束发射的局部增强位置是随机的.结果表明碳纳米管阴极可以作为强流阴 关键词： 碳纳米管 爆炸场发射 等离子体膨胀 强流电子束     

反铁电陶瓷的强电子发射特性研究

采用掺镧锆锡钛酸铅反铁电陶瓷作为阴极材料,研究了脉冲电压激励下陶瓷的电子发射特性.当激励电压为800V、抽取电压为0V时,得到1.27A/cm²的发射电流密度;当抽取电压增加到4kV时,获得1700A/cm²的发射电流密度.分析了发射电流随抽取电压的变化关系,讨论了反铁电陶瓷强电子发射的内在机理.结果表明：掺镧锆锡钛酸铅反铁电陶瓷能够在较低的激励电压(400V)下实现电子发射,发射电流远大于按照Child-Langmuir定律计算出的电流,三接点附近局域反铁电—铁电相变产生初始电子发射,初始电子电离中性粒子形成等离子体,增强了电子发射. 关键词： 铁电阴极 反铁电体 电子发射