猝发强流多脉冲电子束源物理设计

给出一台脉冲间隔100～1 000 ns、脉冲数2~5个、二极管电压3 MV、引出束流强度2.5 kA的猝发多脉冲电子束源的物理设计及初步调试结果。在设计中,采用感应叠加和阻抗匹配方案获得二极管高电压脉冲;试验中分别采用天鹅绒和大发射面储备式热阴极获得猝发多脉冲电子束。调试结果表明:采用大发射面热阴极可避免阴极等离子体产生,确保二极管在猝发多脉冲状态下稳定运行。初步调试获得大于2.7 MV猝发三脉冲二极管高压,并获得1.6 kA的三脉冲电子束流。     

Velvet＇s multi-pulsed emission and multi-pulsed electron beams

The velvet electron emission characteristics and beams＇ brightness are investigated with a multi-pulsed mode. The results indicate that in the multi-pulsed mode the velvet emission is not uniform and the periphery emission is much stronger than that from the centre. The periphery emission contributes much more to the formation of the cathode plasma than the centre emission, which leads to diode impendence breakdown. The relationship between the cathode plasma expansion and the initial emittance of the cathode is deduced to describe the characteristics of the multi-pulsed vacuum diode. The emittance of the multi-pulsed beams is measured to be less than 1000mm·mrad. The brightness of the electron beams is better than 1× 10^8A/（m·rad）2.     

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。     

天鹅绒与碳纳米管阴极强流脉冲发射特性

在2 MeV直线感应加速器注入器平台上开展了天鹅绒阴极与碳纳米管阴极的强流脉冲发射特性综合实验。研究结果表明:天鹅绒阴极与碳纳米管阴极均具有强流脉冲发射性能,在1.61 MV的二极管电压下,天鹅绒阴极与碳纳米管的发射电流密度分别为84,108 A/cm2;启动时间分别为21,40 ns;放气量分别为0.29,0.91 PaL;放出气体分子数目与发射电子数目之比分别为64,225;两种冷阴极强流脉冲发射时的放气质谱相似。     

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)。     

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     

天鹅绒阴极产生的强流双脉冲电子束特性

 通过一台2 MeV直线感应型强流电子注入器建立的双脉冲功率源系统，实验研究了天鹅绒阴极产生的相对论性猝发双脉冲强流电子束基本特性，给出了双脉冲电子束的积分发射度、亮度和双脉冲电子束时间分辨包络变化情况。研究结果表明：天鹅绒阴极产生的双脉冲的亮度达到108 A·(m·rad)^-2；实验得到的两个脉冲电子束包络半径不完全一致，这是由于天鹅绒阴极在发射电子束过程中产生的阴极等离子体对真空二极管的影响程度不同所导致的。     

表面形貌对热阴极电子发射特性的影响

为了研究热阴极表面形貌对电子发射能力的影响,使用飞秒激光微纳加工技术在光滑的热阴极表面制备不同尺寸和形状的周期性条纹结构,并使用相同的制备工艺对阴极进行除气和激活.测试结果显示:阴极表面周期性条纹结构可有效增强阴极的电子发射能力,正交双向条纹结构表面阴极的发射电流密度高于单向条纹结构表面阴极的发射电流密度,而且随条纹结构尺寸的降低,阴极的电子发射能力逐渐增强.对阴极表面形貌进行仿真,发现微尖顶端位置在强电场的作用下具有较强的电子发射能力.当阴极表面微尖底部直径与高度比值(r/h)较小时,微尖的侧面仍是阴极电子发射的主要区域,但是随着r/h减小,阴极的电子发射区域逐渐由微尖侧面发射向微尖顶端转移,场助电子发射效应成为阴极电子发射的主要组成部分.     

中间层Re的加入对覆膜钡钨阴极性能的改善

研究了一种新型的覆膜钡钨阴极——双层膜(Os-W/Re膜)钡钨阴极.对这种新型阴极的发射性能进行了测试，重点对其老炼前后表面薄膜的微观形貌进行了分析，表明中间层Re膜的加入使覆膜钡钨阴极的性能得到了改善.通过对Os-W双元合金膜钡钨阴极和Os-W/Re双层膜钡钨阴极发射特性的比较，发现Os-W/Re双层膜阴极的直流发射性能好于Os-W合金膜阴极.对两种阴极激活后发射表面的X射线光电子能谱分析表明，Os-W/Re双层膜阴极激活后表面形成的三元合金膜是其发射特性优于Os-W合金膜阴极的主要原因.应用扫描电子显微镜分析比较两种阴极激活老炼后的表面状态，结果表明：Os-W合金膜阴极在老炼一段时间后，其表面薄膜出现开裂，这会导致阴极发射均匀性下降；而Os-W/Re双层膜阴极在同样老炼条件下，发射表面薄膜均匀并保持完整，从而确保覆膜钡钨阴极发射均匀性和工作可靠性. 关键词： 双层膜钡钨阴极 Os-W/Re膜 Os-W膜 薄膜开裂     

强流四脉冲电子束源实验研究

 为了进行强流多电子束源研究，对现有2MeV LIA 注入器进行了四脉冲改造，二极管脉冲电压约500kV。实验研究了天鹅绒阴极在四脉冲条件下的发射能力、传导电流负载效应以及阴极等离子体运动对阴极电子发射和束能量的影响。利用空间电荷限制流模型推算出阴极等离子体膨胀速率在1 ~4cm/μs之间。     

碳纳米管和天鹅绒阴极强流发射特性的对比研究

采用电泳沉积法、碳纳米管纸和化学气相沉积直接生长法制备了三种碳纳米管阴极. 从强流发射性能、阴极等离子体膨胀、阴极起动、发射均匀性、工作稳定性以及脉冲放气特性等多个方面, 对比研究了碳纳米管阴极和化纤天鹅绒阴极的强流发射特性, 研究表明碳纳米管阵列和碳纳米管纸阴极发射性能明显优于普通化纤天鹅绒, 碳纳米管阴极发射性能与碳纳米管取向无关, 管壁的缺陷发射对无序碳纳米管阴极强流发射具有重要贡献. 碳纳米管阴极的起动场强约为普通化纤天鹅绒的2/3, 电场上升率相同时碳纳米管阴极比化纤天鹅绒阴极起动时间短12–17 ns. 碳纳米管阴极发射均匀性优于化纤天鹅绒, 尤其是碳纳米管阵列, 整个阴极表面等离子体光斑致密且均匀. 在二极管本底气压为6×10^-3 Pa时, 碳纳米管纸阴极对应的二极管峰值气压不到0.3 Pa, 约为普通化纤天鹅绒阴极的1/5, 碳纳米管阵列阴极放气量在三种阴极中最少, 仅为0.042 Pa. 结果表明, 碳纳米管阴极在强流电子束源和相关高功率微波器件领域具有潜在的应用价值.     

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.     

Comparison of velvet- and cesium iodide-coated carbon fibercathodes

Presents results of an experimental comparison of a velvet cathode- and a carbon fiber cathode-coated with cesium iodide (CsI) salt. Each cathode had a planar geometry, with similar emission areas. The cathodes were tested at electric field strengths of 50 kV/cm at anode-cathode (A-K) gaps of 4.0 cm. The applied voltage had a 1-μs duration and the pulser was operated at up to a 1-Hz repetition rate. The system had a low base pressure (<1.0×10^-7 torr). This paper reports the results and comparisons of experiments on each cathode. We address the current and voltage characteristics, the shot-to-shot reproducibility, the pressure evolution of the diode under 1-Hz operation, and the lifetime of the cathodes     

碳纤维阴极发射均匀性的实验研究

 分别用自制浸渍碘化铯（CsI）针式环状碳纤维阴极和环状不锈钢阴极所产生的电子束轰击尼龙目击靶，研究碳纤维阴极发射均匀性。在碳纤维阴极电子束轰击的目击靶上得到了均匀的烧蚀痕迹，而不锈钢阴极电子束轰击的目击靶上烧蚀痕迹不均匀，表明碳纤维阴极发射电子束的均匀性优于不锈钢阴极。分析认为两阴极不同的发射机制及其所特有的材料性质和结构导致其发射电子束均匀性的差异。用光学显微镜和电子显微镜对不锈钢阴极尖端和碳纤维阴极尖端和侧面进行扫描，发现不锈钢阴极仅尖端处被烧蚀，而碳纤维阴极尖端和侧面都有烧蚀痕迹，验证了碳纤维阴极由场发射和表面闪络共同作用的发射机制的假设分析。     

常见场致发射阴极材料的发射特性

利用三阴极加速器平台,对不锈钢、黄铜、铝、天鹅绒和石墨等几种常见场致发射材料的电流发射能力、相对启动延迟时间及其抖动进行了实验研究。实验结果表明:在二极管电压近似恒定时,不锈钢阴极启动时间延迟抖动小于8 ns,天鹅绒阴极及石墨阴极启动时间延迟抖动小于4 ns;且材料在阴极频繁工作时启动时间加快;常见金属材料中不锈钢阴极的综合性能较好;非金属材料中,天鹅绒阴极的发射能力最强,且发射延迟时间最短,但考虑到天鹅绒材料严重的出气问题,非金属材料中以石墨阴极的性能为优。     

天鹅绒阴极发射性能的实验研究

在长脉冲(50～100ns)和短脉冲(3ns)条件下,我们对天鹅绒阴极的发射性能进行了实验研究。其阴极电流密度分别为400A/cm~2和7kA/cm~2。 我们分别测量了电流-电压曲线,使用Cherenkov效应得到了阴极发射图象,得到了天鹅绒纤维的扫描电镜照片并测量了天鹅绒阴极的实验结构。在此基础上讨论了天鹅绒阴极的发射机理。     

用于真空电子太赫兹器件的微型热阴极电子束源研究

太赫兹波辐射源是太赫兹(THz)波技术的关键.真空电子太赫兹器件在高频、大功率太赫兹源发展中较其他技术有明显的优势,微米尺度高电流密度微型电子束源则是研制真空电子太赫兹器件的核心之一.本文在研制低温、大电流纳米粒子氧化钪掺杂含钪扩散阴极(nanosized-scandia doped dispenser cathode)的基础上,采用发射抑制膜沉积与聚焦离子束(FIB)刻蚀技术,研制无需压缩直接提供高电流密度的微型电子束的电子源.所研究的电子束源直径400μm,在工作温度950fiC,提供空间电荷限制电流密度50 A/cm2时,已稳定工作1000 h以上,并且层流性良好.本文阐述了阴极制备工艺、电子发射特性、微米尺度电子束源的获得和特性,介绍了发射抑制膜的结构和抑制特性的评估.并探讨了镀膜和刻蚀对发射的影响机理.这一电子束源在常规毫米尺度电子源的基础上产生微米尺度的微区高电流密度的电子束,为真空电子太赫兹辐射源的研制提供了新的途径.     

碳化硅纳米线的电子发射特性

 以聚碳硅烷为原料,通过1 200 ℃高温裂解工艺制备了碳化硅纳米线,并采用碳化硅纳米线作为高功率微波源用阴极材料,进行了电子发射实验。结果表明：与天鹅绒阴极材料相比,碳化硅纳米线具有更高的电子发射电流密度,在115 kV外加激励脉冲高压下,电子发射密度为23.7 kA/cm²,而天鹅绒材料为14.0 kA/cm²,并具有更好的电子发射品质及更长的使用寿命。因此碳化硅纳米线作为高功率微波源用阴极,具有很好的应用潜力。     

重复频率爆炸发射阴极现状及展望

重复频率爆炸发射阴极(EEC)是产生高功率重复频率强流电子束的关键。阐述了爆炸发射的尖端场增强和闪络引发机制,分析了影响EEC重复频率运行的因素,综述了EEC研究现状并总结了几种EEC特性,指出实现重复频率发射阴极的方法在于探索新型材料和改进结构。提出采用六硼化镧(LaB6)作为EEC材料和适用于单焦斑多幅闪光照相工业冷阴极二极管(IXD)的新型阴极结构轮辐状金属-铁电陶瓷复合阴极,并对其前景进行展望。     

Time-and-space resolved measurements of the emission uniformity of carbon fibre cathode in high-current pulsed discharge

The remaining challenges, confronting high-power microwave (HPM) sources and pulsed power generators, stimulate the developments of robust relativistic electron beam sources. This paper presents a carbon fibre cathode which is tested in a single pulsed power generator. The distribution and the development of cathode plasma are observed by time-and-space resolved diagnostics, and the uniformity of electron beam density is checked by taking x-ray images. A quasistationary behaviour of cathode plasma expansion is observed. It is found that the uniformity of the extracted electron beam is satisfactory in spite of individual plasma jets on the cathode surface. These results show that carbon fibre cathodes can provide a positive prospect for developing a high-quality electron beam.