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。     

二极管间隙距离对场致发射过程中空间电荷效应的影响

在强电场条件下,由阴极通过场致发射产生的电子具有很强的空间电荷效应,因此真空二极管的空间电荷限制电流是设计高功率微波源等强流电子束器件时需要考虑的重要参数.场致发射电流密度只和阴极材料、阴极表面电场等有关,而空间电荷效应则会受二极管电压、间隙距离等因素的影响.为研究二极管间隙距离对场致发射过程中空间电荷效应的影响,建立了由场致发射阴极构成的一维平板真空二极管物理模型,利用第一性原理的粒子模拟方法,研究了二极管间隙距离和外加电压等参数变化时的阴极表面电场随时间的演变特性,得到了阴极表面稳态电场和二极管间隙距离之间的关系.结果表明,场致发射过程开始后,阴极表面电场先有个振荡过程,随后趋于稳定;在同一外加电场条件下,间隙距离越长,稳态电场的绝对值越小,且达到稳态所需的时间也越长;间隙距离越短,当阴极表面电场达到稳定状态时,二极管间隙区的电场分布变化越剧烈.     

爆炸电子发射初期阴极表面电场的研究

为了研究二极管爆炸电子发射初始阶段阴极表面复杂的物理现象及规律, 建立了由场致电子发射阴极构成的一维平板真空二极管物理模型,通过自行编程数值求解泊松方程, 考虑了发射出的电子对阴极表面电场的非线性影响,自洽模拟得到了阴极表面电场随时间的变化情况. 模拟结果表明,爆炸电子发射初期,阴极表面电场随时间的增加而呈现出不断振荡的规律, 且振荡幅度越来越小,最终到达一个稳态的值,二极管两极板之间的外加电场越大, 阴极表面稳态电场的绝对值越大;电场增强系数越大,阴极表面稳态电场的绝对值越大. 在整个时间演变过程中,阴极表面的实际电场强度决定着阴极发射的电流密度大小, 反过来阴极发射的电流密度又会影响到阴极表面的电场.     

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。     

强流脉冲电子束二极管等离子体漂移速度的研究

 强流相对论电子束二极管阴阳极等离子体的形成和漂移,是二极管工作状态研究的重要组成部分。根据Child-Langmuir定律和二极管导流系数,结合二极管阴极电子发射面积的变化模型,给出了二极管阴阳极等离子体漂移所导致的阴阳极间隙闭合速度。     

二极管爆炸发射阴极等离子体的膨胀扩展

分析了二极管中爆炸发射产生阴极等离子体的演化特征,在考虑了阴极等离子体朝阳极膨胀运动使二极管阴阳极间距缩短这一效应的同时,还计入了阴极等离子体沿发射表面径向扩展运动对二极管有效发射面积的影响。基于Child-Langmuir定律,利用在一个四脉冲强流电子束源装置上得到的电流、电压等实验数据,假定阴极等离子体轴向膨胀和径向扩展速度近似相等,研究了阴极等离子体的膨胀扩展动力学行为。计算结果表明,阴极等离子体朝阳极的膨胀和沿径向的扩展速度为0.9～2.8 cm/s。     

新型金阴极及其紫外光电发射特性

采用直流磁控溅射法制备了不同厚度的金纳米薄膜,在高纯氮气气氛、800 ℃条件下快速退火,在石英基底上制备了具有表面微纳颗粒的新型金阴极。应用扫描电子显微镜对阴极的表面形貌进行表征,结果表明:阴极表面形成了均匀分布的金纳米颗粒,平均粒径随金纳米薄膜厚度的增加（5 nm至20 nm）从300 nm增大到800 nm。在190~360 nm紫外光下,对阴极的光电子发射特性进行了研究,结果表明:相对于平面阴极,新型金阴极的光电子发射效率提高了10倍以上,最高可达到平面阴极的16倍,且随颗粒粒径的减小而增大。采用三步光电发射模型对上述结果进行理论分析,表明阴极光电效率的提高主要由于阴极光电发射面积的增加和局域强电场导致的表面势垒降低。     

空间电荷效应对热场致发射中诺廷汉效应的影响

热场致发射阴极所产生的强流电子束具有很强的空间电荷效应,为研究该效应对热场致发射过程中诺廷汉（Nottingham）效应的影响机理,在理论分析的基础上,用数值方法研究了不同逸出功和多个外加电场条件下考虑空间电荷效应对诺廷汉效应结果的影响,并与不考虑空间电荷效应时的情形进行了对比. 结果表明：空间电荷效应的强弱会显著影响到阴极表面的稳态电场,进而对诺廷汉效应产生不可忽略的影响;当逸出功在3.0–4.52 eV、外加电场在3×10⁹–9×10⁹ V/m范围内时,考虑空间电荷效应的影响后,热场致发射电子所带走的平均能量较不考虑空间电荷效应时增加0–2.5 eV,且温度越高或外加电场越大时,该增加值越大;考虑空间电荷效应对诺廷汉效应的影响后,热场致发射电子从阴极带走的平均能量随外加电场的增加呈非线性下降规律;当阴极表面温度较高时,诺廷汉效应中的冷却效应随二极管间隙距离的变大而增强. 关键词： 热场致发射 诺廷汉效应 空间电荷效应 阴极表面电场     

百纳秒脉冲下强流二极管的工作稳定性

以闪光二号加速器为研究平台,实验研究了前沿80 ns和34 ns脉冲电压下的二极管工作稳定性,通过对比实验结果和数值模拟结果,分析了脉冲前沿对二极管启动时间、阴极发射均匀性和阻抗重复性的影响,探讨了脉冲前沿对平面阴极二极管工作状态的影响机制。实验结果表明:脉冲前沿、二极管启动时间增加时,二极管的阻抗重复性降低;平面阴极易于在中心位置形成强区域发射,等离子体覆盖整个阴极发射面的时间随脉冲前沿增大而增加;屏蔽效应对阴极发射的影响随前沿增加而变大,进而导致阴极表面不均匀强点发射,等离子体运动速度增加,阴极有效发射面积减小,在等离子体运动速度和阴极有效发射面积共同作用下,二极管工作稳定性下降。     

真空沟道结构GaAs光电阴极电子发射特性

光电阴极的发射电流密度和寿命限制了其在功率器件和大科学装置中的应用.本文结合光电阴极和场发射阴极电子发射理论,设计了大电流密度的真空沟道结构光电阴极组件,并使用覆膜和刻蚀技术制备了以GaAs衬底为阴极材料的光电阴极组件.光电阴极组件电子发射特性测试结果显示,常温状态下随入射光功率增加,阴极发射电流增加幅度逐步增大.光功率为5 W时,发射电流达到26.12 mA,电流密度达到5.33 A/cm~2.随光电阴极组件工作温度增加,阴极材料内的载流子浓度也会相应地增加,提高了负极对阴极材料内发射电子的补充效率,增强了阴极组件的电子发射能力.当光电阴极组件为400℃时,其发射电流可达到89.69 mA.由于阴极表面不存在激活原子,在光电阴极组件连续144 h的寿命试验中,阴极的发射电流为4.5±0.3 mA,阴极发射性能并未出现明显衰减.真空沟道是光电阴极组件电子发射的主要区域,通过改善真空沟道结构参数可以直接调整阴极组件发射电子束的形状,增强大电流密度光电阴极在真空电子器件和设备中的适用性.     

向内发射磁绝缘振荡器

提出了一种向内发射磁绝缘振荡器,并给出了微波轴向提取的方法。这种新型结构通过外置阴极、内置阳极,使参与束波作用的轮辐电流通过阳极回流提供了自磁绝缘的角向磁场,有提高器件效率的可能。而外置阴极使阴极的发射面积增大,发射电流密度减小,有利于延长阴极寿命。通过粒子模拟,得到了几何参数与磁绝缘线振荡器输出功率的关系。在电压890 kV,电流56.1 kA下,输出功率为3.6 GW,频率为8.2GHz。     

Field emission of electrons from cathodes made of carbon fibers with a nanostructured emitting surface

Field electron emission from cathodes made of a bunch of carbon fibers under the condition of technical vacuum is studied experimentally. A model to optimize the field emission properties of the cathode by optimizing its macrogeometry with regard to the emitting surface structure is suggested. The current-voltage characteristics of the cathode are taken in the working voltage range 1–3 kV and for anode-cathode spacings varying from 1 to 10 mm. The current density from the cathode may reach 10 A/cm² or more.     

电子枪发射系统的计算方法

提出一种混合计算方法,当电场精度较低时把电子的发射做为连续过程处理,当电场的精度较高时考虑电子发射的随机性.这种方法在保证计算准确性的前提下,较大程度地缩短了计算时间。     

微束斑X射线源LaB_6阴极电子枪的设计

LaB6阴极电子枪是微束斑X射线源的关键组成部件之一。详细的讨论了电子枪的各组成电极 ,即LaB6阴极、Wehnelt栅极和阳极的设计。采用边界元法 (BEM )对电子枪内部电场电位和场强分布进行了有效的数值计算 ,并从阴极开始起利用四阶Runge Kutta法追踪电子的运动轨迹。给出了当阳极端口处电子束半径为设计值时各电极电压、电极结构等工作参量 ,利用该LaB6阴极电子枪可以满足微束斑X射线源需要高亮度、微细电子束发射的要求。     

两种谐振腔长度的微腔有机电致发光器件模拟

微腔的谐振腔长度直接影响微腔有机电致发光器件(MOLED)的发光特性,根据微腔器件的相关计算公式运用传输矩阵法,分别对微腔长度L=λ/2和L=λ(λ:中心波长)时,在微腔内不同位置激子复合发光的电致发光谱(EL)进行模拟计算和比较。发现:微腔长度为L=λ/2时,峰值均为520nm,半峰全宽均为17nm,激子处在微腔的中心位置时,峰值强度和积分强度均为最大。L=λ时,激子在腔内不同位置时,峰值均为520nm,半峰全宽均12nm,在腔的中心区域时,与L=λ/2时正好相反,峰值强度和积分强度最小。分析后判断是因为两种长度的微腔内电场强度分布不同,激子位于腔内电场的最大值处发光性能最好。说明要制作出高效率的MOLED,要区别不同谐振腔长度,并使激子处于腔内电场最大处。     

单晶LaB6热阴极直流发射特性实验研究

 实验利用二极管型电子枪研究了单晶LaB₆热阴极的直流发射特性。阴阳极间距5 mm，从直径为2 mm发射体上测得175 mA直流束流（阴极温度约为1 870 K、阴阳极电压6.5 kV、空间电荷限制状态），电流密度为5.57 A/cm2。采用Longo方程拟合直流发射电流，该方法比以往单纯用Child或Richardson- Dushman公式更符合实际。实验还观测了阴极工作环境和表面状态对直流发射的影响，当真空度低于7×10^-4 Pa时，阴极发射能力逐渐下降,阴极表面碳、氧污染使发射体功函数升高。长时间加热后，石墨上会蒸镀LaB6,由此会造成热子电阻的下降。分析表明La原子补充不及时和表面气体吸附是影响直流发射能力的主要因素。     

He-Ne激光器放电点火电压的实验研究

寻找能降低He—Ne激光器点火电压的外加催离剂．实验对He—Ne激光器的点火电压在阴、阳极被可见光照射、低放射源作用于放电管和阴极附近加强电场的条件下进行了测量．对不同外加条件作用下He—Ne激光器点火电压实验数据的误差进行了分析．实验结果指出，用可见光照射阴极或阳极不能降低He—Ne激光器的点火电压；能明显降低点火电压的因素可以是低放射源或外加强电场．     

Time evolution of hollow cathode ionization processes in the finalbreakdown phase of a transient hollow cathode discharge

The enhanced ionization processes taking place inside the hollow cathode region (HCR) of a transient hollow cathode discharge (THCD) are essential events which lead to final electrical breakdown. This ionization growth is permanently assisted by a virtual anode moving in the anode-cathode gap (A-K gap), which extends the anode potential to within the hollow cathode region. In the paper, the ionization growth inside the HCR under the enhanced field due to the close proximity of the anode potential has been studied using a statistical technique in a range of pressures, with three different cathode apertures. Statistical time distributions of an extensive experimental data set are analyzed to understand the mechanisms involved in the final stages, just before electric breakdown