大面积均匀电子束产生实验研究

 在电子束泵浦气体激光实验中，大面积均匀电子束是获得高效能激光输出的必要条件。介绍了利用SPG-200脉冲功率源产生大面积均匀电子束的实验。SPG-200是基于SOS的全固态重复频率脉冲功率源，其开路电压大于350 kV。用于产生电子束的真空二极管阴极长294 mm，宽24 mm，两端均为半径为12 mm的半圆，栅网平面为阳极面，两者之间的距离在0~49 mm可调，阴极发射的电子束通过用于隔离激光气室和二极管真空室的压力膜及其支撑栅网引出。分别以石墨和天鹅绒为阴极材料，获得了大面积电子束输出，给出了二极管参数的测量结果，并对电子束发射均匀性进行了诊断。实验结果表明：在阴极材料为石墨、阴阳极间隙为5~9 mm时，二极管电压为240~280 kV，二极管电流为0.7~1.8 kA，输出的电子束很不均匀；在阴极材料为天鹅绒、阴阳极间隙为31~46 mm时，二极管电压为200~250 kV，二极管电流为1.5~1.7 kA，输出的电子束均匀性较好。     

多脉冲强流真空电子二极管研究

研究了猝发脉冲串条件下真空强流电子二极管状态和输出电子束参数的变化规律, 建立了阴极等离子体膨胀效应的强流电子二极管参量的方程组, 并提出了阴极等离子体柱状膨胀模型. 实验研究了猝发多脉冲电子二极管输出多脉冲强流电子束的能力和束品质的变化, 给出了以天鹅绒为阴极发射体, 阴极等离子体膨胀速度小于1cm/μs时二极管输出的双脉冲电子束包络的变化和电子束的发射度及亮度.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

12MeV直线感应加速器二极管优化设计研究

 本文用MAGIC程序对设计的多种12MV直线感应加速器的二极管结构进行模拟计算,得出了二极管阴极表面电场强度分布,并根据实验研究结果,得到了结构最佳设计的二极管模型;随后利用扫描电镜方法对不同天鹅绒的结构进行了分析与发射性能实验研究。最后得到优化后的二极管产生的电子束束流参数为发射束流I_e=8.50kA,传输束流I₈=3.0kA ,打靶束流I₀=2.30kA。     

Characteristics of polymer velvet as field emitters under high-current pulsed discharge

In this paper we investigated the surface morphology and emission property of polymer velvet in a cathode test system powered by a ∼400 ns, ∼400 kV pulsed generator. After a series of pulse shots, the velvet surface exhibited an obvious decrease in the amount of emitters, namely, the smoothing of microprotrusions, indicating a lower field enhancement factor or a higher turn-on electric field than that for no shots. As the velvet cathode lifetime proceeded, the beam degradation was observed in terms of the voltage pulse length, maximum emission current, and rise time of diode current. Further, the average current density significantly decreased during a 100 pulse shot test, from 280 to 160 A/cm². The surface discharge caused many plasma spots on the velvet surface. The cathode plasma expands towards the anode, directly leading to the diode gap closure. The degradation in the velvet performance after high-current emission may be related to this behavior of cathode plasma. Finally, the electron emission mechanisms, how to affect the surface morphology of velvet, are presented.     

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。     

双脉冲电子束源实验研究

 利用现有2MeV直线感应注入器，通过改造，将其次级功率源和8个感应腔分成2组，使之交替工作，建立了一台双脉冲电子束源。二极管电压脉冲幅度达到1MeV，电子束脉冲持续时间为120ns，脉冲间隔可以根据需要在100~500ns间进行调节。实验结果表明：该双脉冲电子束源可以产生双脉冲电子束，其电压幅度差值小于2%，束流可达3kA，并且工作稳定，利用该装置可以进行多脉冲二极管物理和天鹅绒多脉冲发射特性实验研究。     

矩形强流电子束自磁场对束流均匀性的影响

对大面积矩形强流电子束自磁场在无限长束模型和有限长束模型下作了计算,给出了磁场的强度分布,并计算了在自磁场作用下的束电子的运动轨迹。描述了电子束在传输方向距阴极6cm处的箍缩图样。计算中考虑了二极管电场力,忽略了膜及Hibechi对束流的散射效应。     

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%.