大面积热阴极系统设计及初步实验结果

建立了能满足大面积热阴极系统需要的2MeV热阴极实验平台,并配合研制了直径为100ram的B型储备式热阴极.在二极管电压为1.8MV、脉宽90ns(FWHM)、阴极工作温度为1350.C情况下,利用法拉第筒获得了1000A的发射电流,发射电流密度约12A/cm2.实验结果表明,利用大面极热阴极获得高亮度强流电子束在工程上是可以实现的.实验结果也表明,阴极发射能力强烈依靠于二极管真空和阴极工作温度.     

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。     

大面积热阴极系统设计及初步实验结果

建立了能满足大面积热阴极系统需要的2MeV热阴极实验平台, 并配合研制了直径为100mm的B型储备式热阴极. 在二极管电压为1.8MV、脉宽90ns(FWHM)、阴极工作温度为1350℃情况下, 利用法拉第筒获得了1000A的发射电流, 发射电流密度约12A/cm². 实验结果表明, 利用大面极热阴极获得高亮度强流电子束在工程上是可以实现的. 实验结果也表明, 阴极发射能力强烈依靠于二极管真空和阴极工作温度.     

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。     

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。     

直线感应加速器用光阴极实验研究

通过适当地改造2 MeV注入器实验平台,使系统具备了开展光阴极研究的能力,主要的改动有:将观察窗材料改为石英,增加266 nm固体激光器,对原有的时序控制方式进行修改以满足同步触发方面的要求。研究的阴极材料为含钪储备式热阴极,实验中最高加热到了740℃,观测到了光电发射和光致等离子体发射现象,最大的激光功率密度为1.3 MW/cm2,最大发射电流密度约为16 A/cm2,光电发射的量子效率约为0.05‰。     

强流离子源新型LaMo阴极实验研究

对从美国购进的强流离子源新型LaMo阴极的发射特性以及用于强流离子源阴极的放电性能进行了测试.实验结果表明了LaMo阴极是一种有效的热阴极发射体,且该阴极用于强流离子源时,离子源工作稳定,放电起弧正常,使用寿命大大延长(相对于LaB₆阴极).从实际应用来看,LaMo阴极确是强流离子源的一种有效的新型阴极.     

小型化长脉冲二极管设计与实验

在长脉冲高功率微波源研究中关键的部件是二极管，由于阴极爆炸发射产生的阴极等离子体的热扩散，为防止二极管短路，长脉冲二极管通常比一般二极管阴阳极间距大，尺寸也相应较大。原有的长脉冲加速器使用的二极管如图1所示，这也是美国BANSHEE加速器采用的二极管结构。使用的二极管是为满足L波段高功率微波器件的需要，产生电子束电压500kV，电流3kA，脉宽1．5μs，束截面内外径为φ5．7，φ7．3cm。现在为了满足开展S波段相对论速调管研究需要，设计了新的小型化二极管，产生电子束环内外直径约φ4.3，φ3．7cm。     

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。     

双脉冲电子直线感应加速器实验研究

 Mini-LIA为MHz重复频率双脉冲电子直线感应加速器,由双脉冲功率系统、热阴极电子枪注入器及金属玻璃磁芯感应加速腔等组成。在此平台的实验获得了数百ns间隔（即MHz重复频率）的双脉冲高压,每个脉冲幅值达到80 kV,脉冲半高全宽为80 ns;在感应腔加速间隙处测得双脉冲加速电场;在加速器出口处测量得到流强约1.1 A的双脉冲电子束流。实验结果表明：利用硅堆隔离汇流装置可实现MHz重复频率的双脉冲高压,金属玻璃磁芯感应加速腔和六硼化镧热阴极电子枪均适合MHz重复频率双脉冲工作方式。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

工业X光二极管重复频率实验研究

工业X光二极管型单焦点高重复频率闪光X光机在科学研究、工业检测等领域具有重要应用前景。基于光导开关脉冲驱动源开展了金属阴极工业X光二极管重复频率运行实验, 采用烘烤处理方法研究阴极表面吸附特性对重复频率发射特性的影响;以二极管阻抗模型为理论基础, 通过重复频率实验获得的二极管电压维持时间和阻抗特性分析等离子体扩散过程。研究表明:对于高阻抗结构工业X光二极管, 金属阴极为表面吸附杂质或气体解吸附形成等离子体发射机制, 一次放电后阴极表面对气体的再吸附过程限制了其在高重复频率条件下的电流发射能力, 同时由于阴极等离子体扩散过程变慢使得二极管电压脉宽变长。具有高重复频率电流发射能力的阴极是发展单焦点重复频率X光机的基础。     

天鹅绒阴极二极管的实验研究

 介绍了天鹅绒阴极二极管的结构及天鹅绒阴极的设计,给出了二极管参数的测量方法及结果。对三种不同材料的天鹅绒阴极进行了实验研究,获得了大面积均匀电子束,并对电子束的横向及径向均匀性进行了诊断。实验结果表明：二极管工作状态接近的条件下,3种材料的天鹅绒阴极所获得的大面积电子束均匀性相近,而与天鹅绒的材料基本无关。     

一种高功率返波管理论

对一种热阴极高功率返波管进行了理论研究,其具有寿命长稳定性好的特点。采用的热阴极发射电流密度为20 A/cm2,发射面积为100 cm2,发射总电流为2 kA。首先对该热阴极单阳极电子枪进行仿真研究,在确保不打火的情况下获得电子枪优化设计参数,再对整管进行粒子模拟研究,仿真结果表明,在工作频率为10.5 GHz时,该热阴极返波管的输出功率可以达到290 MW,换能效率为29%。     

新型热阴极电子枪加热结构热分析

利用ANSYS和COMSOL仿真模拟软件,对热阴极电子枪的加热结构进行热分析,得到了阴极加热结构设计的一些规律,然后通过实验对一系列加热结构进行阴极温度测试,进一步验证模拟计算的结果,得到了一种加热效率比较高的结构。该结构在加热功率为100 W时,阴极温度超过了1 900 K,达到了铱铈阴极的工作温度。在阴极温度1 800 K左右,阴极表面引出电场强度为3.6×106V/m的条件下,该阴极的最大发射电流达到1.04 A,发射电流密度约13 A/cm2。     

铁电体阴极的实验研究

铁电体阴极是一种具有很大发展潜力的新型高亮度、高重复率、强流电子束源。电子发射的基本机制是利用铁电体中的快极化反转产生的极化值变化,其转换时间为纳秒量级,因此,重复率可达数百兆赫;最大电子发射密度为10~(14)/cm~2;发射电流的大小取决于样品上激励电压的上升时间;发射电子的最大能量决定于样品厚度,初步估算,在电流强度相同的情况下,铁电阴极的亮度可比激光照射的光阴极高4倍,与传统电子源相比,它具备许多特殊的优点,本文报导了E∥P和E⊥P两种实验模式,测得的最大发射电流密度分别为12A/cm~2和21A/cm~2。