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.     

向外发射同轴型虚阴极振荡器研究

在高功率微波源研究领域提出了一种新型虚阴极器件——向外发射同轴型虚阴极振荡器.对其相关束流特性进行了理论分析,得到了同轴空间径向传输空间电荷限制电流,以及虚阴极产生的条件和电子束运动的基本规律.基于数值模拟得到的结果,向外发射同轴型虚阴极振荡器不仅表现出较高的能量转换效率,而且有利于增加虚阴极器件产生高功率微波的脉宽,同时还可以应用于低频段高功率微波源.这种虚阴极器件的可能输出微波方式也进行了讨论 关键词： 虚阴极 高功率微波 脉冲功率 电子束二极管     

强流多注阴极尺寸对束流发射一致性的影响

在相对论速调管放大器(RKA)的探究实验中,多注RKA中电子束的打斑实验结果表明各注电子束的发射电流大小和横截面形状分布不一致甚至有很大差异影响了RKA的工作稳定性。通过粒子模拟软件对该问题进行相关仿真研究,探究多注阴极几何尺寸分布不一致对发射电流分布的影响。仿真结果表明,单注电子束阴极尺寸,尤其是横向尺寸的差异是影响多注电流大小分布不一致的主要因素,而且横向尺寸还将影响到多注电子束横向电子束形状,该研究对多注RKA的实验研究与优化设计具有指导意义。     

强流多注阴极尺寸对束流发射一致性的影响

在相对论速调管放大器(RKA)的探究实验中,多注RKA中电子束的打斑实验结果表明各注电子束的发射电流大小和横截面形状分布不一致甚至有很大差异影响了RKA的工作稳定性。通过粒子模拟软件对该问题进行相关仿真研究,探究多注阴极几何尺寸分布不一致对发射电流分布的影响。仿真结果表明,单注电子束阴极尺寸,尤其是横向尺寸的差异是影响多注电流大小分布不一致的主要因素,而且横向尺寸还将影响到多注电子束横向电子束形状,该研究对多注RKA的实验研究与优化设计具有指导意义。     

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。     

场致爆炸发射阴极有效发射面积研究

通过改变阴阳极间隙,得到在不同外加电场情况下,场致爆炸发射石墨阴极有效发射面积随时间变化的实验结果。结果表明,在起始的一定时间内,阴极有效发射面积随时间的增加而增大。阴极有效发射面积达到1.0的时间随阴阳极间隙内电场的增加而减小;当二极管阴阳极之间的平均电场约为100 kV/cm时,阴极有效发射面积达到1.0的时间约为20 ns;阴极有效发射面积相对电压波形的延迟时间随电场的变化近似呈指数衰减曲线。     

场致爆炸发射阴极有效发射面积研究

通过改变阴阳极间隙,得到在不同外加电场情况下,场致爆炸发射石墨阴极有效发射面积随时间变化的实验结果。结果表明,在起始的一定时间内,阴极有效发射面积随时间的增加而增大。阴极有效发射面积达到1.0的时间随阴阳极间隙内电场的增加而减小;当二极管阴阳极之间的平均电场约为100 kV/cm时,阴极有效发射面积达到1.0的时间约为20 ns;阴极有效发射面积相对电压波形的延迟时间随电场的变化近似呈指数衰减曲线。     

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。     

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。     

向内发射同轴虚阴极振荡器实验研究

 同轴型虚阴极振荡器是一种较有发展潜力的虚阴极振荡器，对西北核技术研究所近期的同轴型虚阴极振荡器实验的结果进行了介绍。实验结果表明，在不带有阳极反射板的同轴虚阴极振荡器中，产生微波的主模为TE₁₁模，与常规的轴向发射虚阴极振荡器相比，其主频稳定且带宽较窄；在二极管电压300kV，电流18kA条件下，获得了功率约为200MW的高功率微波脉冲，效率约为3.6%，工作频率为2.7GHz。     

Ka波段同轴多注相对论速调管的电子束引入

首先通过理论分析确定影响多注电子束引入效率的主要因素,确定初步的结构参数;其次利用三维粒子模拟软件建立Ka波段相对论多注二极管模型进行仿真优化,使电子束引入效率达到89%;并开展了电子束的产生与传输实验研究,验证了粒子模拟仿真结果。在电子束电压502 kV、束流4.34 kA、轴向磁感应强度0.76 T的条件下,电子束引入效率达到了72%,由电子束轰击尼龙靶材获得的电子束束斑图表明,电子束在产生与传输过程中形状未发生畸变,产生的电子束直径约为2 mm。模拟和实验研究验证了设计的强流多注二极管可以产生高品质的电子束和实现高效率的电子束引入。     

强流多注电子束高效率引入的模拟研究

强流相对论多注速调管相对于单注速调管具有导流系数低,输出功率高和效率高的优点,并且可以明显降低引导磁场强度,因此得到快速发展。但是其多注电子束引入漂移管效率低的问题,影响了多注速调管的整管效率,限制了其稳定高效运行和应用推广。论文采用粒子仿真软件CHIPIC对多注速调管二极管爆炸发射过程进行仿真研究,寻找影响多注速调管引入效率的主要因素,并对阴极结构进行了优化,设计出三种两段式新型多注阴极结构并进行冷阴极爆炸发射模拟研究。研究结果表明：给定参数下,常规结构由于底座边缘的不必要的环形电子束发射,只能达到82%的引入效率,而三种新型阴极结构通过抑制不必要电子发射,引入效率都可以提高至95%以上,最高达到99%。     

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。     

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。     

强流电子束源阴极等离子体的粒子模拟

模拟了强流电子束源阴极表面附近区域数密度约1014 cm-3的等离子体的膨胀过程,观察到等离子体膨胀速度约为1 cm/μs。通过观察不同时刻阴极附近电子和离子的相空间分布、数密度分布和轴向电场分布,分析了等离子体膨胀过程。结果表明:等离子体的产生使得阴极表面电场增强,进而增大阴极的电流发射密度,电流密度增加使得空间电荷效应增强,并使等离子体前沿处的电场减小,当等离子体前沿处的电场减小到零时等离子体向阳极膨胀。讨论了等离子体温度、离子质量、束流密度和离子产生率对等离子体膨胀速度的影响。结果表明:等离子体的膨胀速度随着等离子体温度升高而增大,随离子质量增大而减小,但膨胀速度不等于离子声速;等离子体产生率越小,等离子体膨胀速度越小。     

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。     

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。     

高峰值功率多注速调管电子光学系统的研究

分析了存在于高峰值功率多注速调管电子光学系统中的问题。采用间接设计方法设计了S波段50 MW多注速调管的电子光学系统。设计中采用分立屏蔽筒结构解决电子枪区聚焦场的旁轴对称问题。利用2维电子光学软件EGUN、3维电磁模拟软件MAFIA和PIC粒子模拟程序对电子轨迹进行了模拟,结果表明：分立屏蔽筒结构可以获得较好的旁轴对称场,电子光学系统的电子轨迹比较理想。     

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/cm2/sup>,远大于C-L定律计算的发射电流。