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。     

碳纤维阴极的场致发射特性实验研究

 研究了具有一定导电性能的碳纤维的直流场致发射电子束特性,实验分别在大气环境、低真空（10^-1 Pa）及高真空(10^-5 Pa)环境下进行。实验结果表明,碳纤维具有一定的场致发射能力,并且发射特性和发射环境的真空度密切相关。在大气环境下,发射电子束流与所施加的电压符合Fowler-Nordheim关系,当电压为7 kV,电流为61.4 μA时,根据Fowler-Nordheim定理推算出碳纤维场致发射场增强因子为3.75×10⁵。在低真空条件下阳极只收集到微弱的电流;在高真空条件下,阴极发射明显,在较低电压下就能观测到阳极电流,放电前阳极最高电流是大气条件下的3~4倍,发射的束流大小和所施加在尖端的电压关系接近Child-Langmiur定律。     

碳纤维阴极的场致发射特性实验研究

研究了具有一定导电性能的碳纤维的直流场致发射电子束特性,实验分别在大气环境、低真空（10-1 Pa）及高真空(10-5 Pa)环境下进行。实验结果表明,碳纤维具有一定的场致发射能力,并且发射特性和发射环境的真空度密切相关。在大气环境下,发射电子束流与所施加的电压符合Fowler-Nordheim关系,当电压为7 kV,电流为61.4 μA时,根据Fowler-Nordheim定理推算出碳纤维场致发射场增强因子为3.75×105。在低真空条件下阳极只收集到微弱的电流;在高真空条件下,阴极发射明显,在较低电压下就能观测到阳极电流,放电前阳极最高电流是大气条件下的3~4倍,发射的束流大小和所施加在尖端的电压关系接近Child-Langmiur定律。     

爆炸发射阴极特性的研究进展

文章对爆炸发射阴极的物理机制进行了阐述，着重对爆炸发射阴极的各种特性进行了介绍，包括阈值电压、发射均匀性、等离子体闭合速率、阴极寿命等．并且对研究爆炸发射阴极特性所采用的理论和测量方法进行了介绍，给出了目前阴极材料使用中存在的问题．     

爆炸发射阴极特性的研究进展

文章对爆炸发射阴极的物理机制进行了阐述,着重对爆炸发射阴极的各种特性进行了介绍,包括阈值电压、发射均匀性、等离子体闭合速率、阴极寿命等.并且对研究爆炸发射阴极特性所采用的理论和测量方法进行了介绍,给出了目前阴极材料使用中存在的问题.     

碳纳米管阴极强流脉冲发射放气特性研究

为了研究碳纳米管(CNT)阴极强流脉冲发射特性, 在2MeV直线感应加速器(LIA)注入器平台上开展了阴极放气特性实验. 研究结果表明：碳纳米管阴极强流发射时伴随有严重的阴极放气, 阴极放气参与形成阴极等离子体. 对于特定的几次实验, 通过数值积分估算了阴极材料的放气量为0.8—1.12Pa·L, 释放的气体分子数目与电子数目之比为254—203, 说明阴极等离子体为弱电离等离子体. 分析了二极管电压、发射电流密度、放气量以及放气分子数目/电子数目之间的关系     

多晶LaB6阴极的脉冲热发射特性

采用多晶LaB6材料制成平板二极管阴极,阳极采用钼材料,阴极采用热传导与热辐射加热,加热体为石墨。实验研究了不同阴极温度、不同真空度下的脉冲发射特性,并对热发射稳定性进行了分析。结果表明： 在动态真空系统中, 阴极发射面积为0.012 1 cm2, 工作真空度为2×10-4 Pa, 阴极温度分别为1 600, 1 650和1 700 ℃,在脉冲宽度为40 ms、重复频率为107 Hz的条件下,最大脉冲发射电流密度分别为34.0,44.0和53.8 A/cm2; 2×10-4,5×10-4和2×10-3 Pa压强下的发射能力没有明显的差异;脉冲宽度的变化不影响发射电流密度的变化。     

复合阴极材料发射特性分析

 基于对爆炸发射点火机制的分析,提出了介质增强场致爆炸发射的设想,研制并实验研究了金属-介质复合阴极的电子发射特性;同时,基于对表面闪络爆炸发射机制的分析,研制出了石墨-碳纤维复合阴极并进行了初步实验研究。研究结果表明,金属-介质复合阴极与石墨 碳纤维复合阴极电子发射密度均超过17 kA/cm²,使用寿命预计超过10⁵次。     

3维楔形阴极场致发射模型

分析了场致发射的物理机理,在3维Yee网格模型的基础上导出并实现了场致发射的发射条件,并引入Pade网格算法加密尖端网格。以一个楔形阴极场致发射模型为例得到了场致发射的伏安特性曲线,并且在高电压时得到了3/2次方的空间电荷限制流。同时为了解决粒子数与网格的巨大引起的计算量大的问题,引入了消息传递机制并行算法,得到3.0以上的并行加速比。     

3维楔形阴极场致发射模型

分析了场致发射的物理机理,在3维Yee网格模型的基础上导出并实现了场致发射的发射条件,并引入Pade网格算法加密尖端网格。以一个楔形阴极场致发射模型为例得到了场致发射的伏安特性曲线,并且在高电压时得到了3/2次方的空间电荷限制流。同时为了解决粒子数与网格的巨大引起的计算量大的问题,引入了消息传递机制并行算法,得到3.0以上的并行加速比。     

带栅极纳米线冷阴极的场增强因子研究

场增强因子是体现场发射冷阴极器件性能优劣的重要参数.利用静电场理论给出了一种带栅极(normal-gated)纳米线冷阴极的场增强因子表示式β=k₁{N²·(L-d₁)²+［1/k₁+(L-d₁)］²}^1/2，且进一步分析了几何参数对场增强因子的影响.结果表明，纳米线突出栅孔的部分(L-d₁)与栅孔半径越大，则场增强因子越大；而纳米线半径越小，则场增强因子越大；当L远大于d₁时满足β∝L/r₀.其中N=N₁(k₁r₀)/N₀(k₁r₀)，N₀(k₁r₀)和N₁(k₁r₀)分别代表零阶和一阶Neumann函数，k₁=0.8936/R，R为栅孔半径，L为纳米线长度，r₀为纳米线半径，d₁表示阴极与栅极间距.     

场发射冷阴极微栅孔阵列制备技术

实现了一种采用聚苯乙烯纳米球自组装技术和微机械制造技术加工的场发射阴极用亚微米栅极微孔阵列。设计了一套完整的工艺实验方案,首先采用微球自组装技术获得了亚微米级金属网孔掩膜,然后通过反应离子刻蚀技术获得了亚微米栅极孔阵列,从而实现了集成度高、分布均匀的周期性亚微米孔洞阵列的制备,微孔集成度达到108cm-2。实验研究了氧气刻蚀聚苯乙烯微球的规律。采用金属掩膜,四氟化碳干法刻蚀二氧化硅,获得了深度为500 nm的微孔。实验结果证明该工艺方案是一种获得大面积、均匀分布、集成度高的场发射冷阴极栅孔阵列的有效方法。     

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。     

场发射冷阴极微栅孔阵列制备技术

实现了一种采用聚苯乙烯纳米球自组装技术和微机械制造技术加工的场发射阴极用亚微米栅极微孔阵列。设计了一套完整的工艺实验方案,首先采用微球自组装技术获得了亚微米级金属网孔掩膜,然后通过反应离子刻蚀技术获得了亚微米栅极孔阵列,从而实现了集成度高、分布均匀的周期性亚微米孔洞阵列的制备,微孔集成度达到108cm-2。实验研究了氧气刻蚀聚苯乙烯微球的规律。采用金属掩膜,四氟化碳干法刻蚀二氧化硅,获得了深度为500 nm的微孔。实验结果证明该工艺方案是一种获得大面积、均匀分布、集成度高的场发射冷阴极栅孔阵列的有效方法。     

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)。