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。     

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。     

碳碳复合阴极在相对论速调管放大器中的应用北大核心CSCD

研制了一种碳纤维分布具有高取向性的碳碳复合材料,并采用该材料制作的阴极开展了相对论速调管放大器的实验研究。实验结果表明:碳碳复合阴极爆炸发射的点火机制以尖端场增强为主,运行1000发后碳纤维结构稳定,重复频率25Hz运行时输出微波功率大于1GW,脉冲宽度大于100ns,阴极发射电流密度约3.82kA/cm2。碳碳复合阴极在启动速度、电流延迟时间及阻抗特性等方面性能还有待进一步的研究。     

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。     

高真空热电子发射实验研究

在真空环境下,研究了阳极电压和阴极电压对金属热发射电流强弱的影响。实验结果表明,提高阳极电压和阴极电压有利于电子从阴极逸出,使发射电流得到增强,此外,提高阳极电压能够降低阴极临界电压,增大发射电流,为提高热电子发射效率提供了实验基础和理论依据。     

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。     

阶梯阴极型L波段MILO的实验研究

 对阶梯阴极型L波段磁绝缘线振荡器（MILO）进行了实验研究。介绍了测试方法与测试系统;开展了阴极电子发射实验,发现阴极电子发射不均匀是对称结构MILO产生非对称微波模式的最关键的因素之一;并对二极管屏蔽环尺寸、扼流片半径、提取间隙等进行了研究。在电子束电压约420 kV、电流33 kA的条件下,得到了阶梯阴极型L波段MILO的高功率微波辐射功率为1.22~1.47 GW,脉宽大于20 ns,频率为1.21 GHz,束波转换效率约为10%,器件产生微波模式为TM01模,经过模式转换器后的辐射模式为TE11模。     

GaN紫外光阴极材料的高低温两步制备实验研究

GaN紫外光阴极是一种表面具有负电子亲和势(NEA)状态的光电发射材料,具有电子发射效率高、暗发射小、稳定性好等众多优点,是近年来得到迅速发展的一种新型高性能紫外探测材料。采用超高真空原子吸附工艺,对金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)外延的p型GaN表面依次进行了高温净化、Cs/O激活、低温净化和Cs/O激活的高低温两步光阴极制备实验。实验结果表明,高温净化后的Cs/O激活可制备出量子效率约为20%的GaN紫外光阴极材料,第二步低温净化后GaN表面仍具有光电发射能力,经过Cs/O激活后可将阴极光电流恢复到接近高温激活结束后的水平,说明GaN阴极材料的制备只需单步高温激活完成。通过比较GaN与GaAs光阴极材料的高低温制备效果差异,对GaN光阴极制备工艺的机理进行了探讨。     

槽型空心阴极放电中槽底阴极面的电子发射对放电的影响

运用粒子和流体组合模型理论研究了槽型空心阴极放电中槽底阴极面上二次电子发射对放电等离子体特性、电离特性及阴极溅射的影响.研究表明,从槽底阴极面发射的电子在进入负辉区后,可以形成振荡电子,因而具有增强电离的作用.根据各阴极面上的离子的空间分布可以推知槽底附近的阴极面上的溅射较强,这可以解释槽型空心阴极放电实验中观察到的因溅射导致槽底截面形状圆形化的现象     

Multi-pulsed intense electron beam emission from velvet,carbon fibers,carbon nano-tubes and dispenser cathodes

The experimental results of studies of four kinds of cathode emitting intense electron beams are demonstrated under multi-pulsed mode based on an experimental setup including two multi-pulse high voltage sources.The tested cathodes include velvet,carbon fibers,carbon nano-tubes(CNTs)and dispenser cathodes.The results indicate that all four are able to emit multi-pulsed beams.For velvet,carbon fiber and CNTs,the electron induced cathode plasma emission may be the main process and this means that there are differences in beam parameters from pulse to pulse.For dispenser cathodes tested in the experiment,although there is a little difference from pulse to pulse for some reason,thermal-electric field emission may be the main process.     

碳纳米管阴极的强流脉冲发射性能研究

采用丝网印刷和涂敷方法制备了两种碳纳米管阴极，并研究了两种阴极的强流脉冲发射特性，表征了阴极表面碳纳米管的形貌及分布.研究结果表明在脉冲宽度为100 ns、电压为1.64×10⁶ V的脉冲电场下，涂敷法制备阴极的场发射电流最高达5.11 kA，最高发射电流密度达260 A/cm².丝网印刷法制备阴极的场发射稳定性优于涂敷法制备阴极，但其发射电流低.阴极表面发射体的形貌与分布影响了阴极的脉冲发射性能.碳纳米管阴极的脉冲发射机理为爆炸电子发射.碳纳米管阴极可以作为强 关键词： 碳纳米管 阴极 脉冲发射 强电流     

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。     

Intense electron emission from carbon fiber cathodes

We studied the emission properties of carbon fiber cathodes. These cathodes were made either of a single carbon fiber or of carbon fabric, or of an array of carbon fiber bundles. It was found that an intense emission of electrons occurs from a plasma which is formed on the carbon fiber surface as a result of a flashover process. In addition, the time delay in the appearance of the electron emission with respect to the start of the accelerating voltage pulse was found to depend strongly on the voltage growth rate. A simple model of the plasma formation is suggested. Received 12 March 2001     

Study of field-induced explosive electron emission mechanisms ofpseudospark superemission cathodes

Various mechanisms of electron emission, including the field, field-enhanced thermionic, and explosive electron emissions from pseudospark cathodes, are discussed and compared. The mechanism of the field-induced explosive electron emission due to microstructure on the cathode surface is considered to be more likely the pseudospark superemissive mechanism. A high-mean electric field up to 3-5 MV/cm on the cathode surface in the end of hollow cathode phase is enough to initiate the mechanism. The cathode spot initiation delay time (<10 ns) and explosive emission threshold current (~10⁸ A/cm² ) prior to the high current conducting phase are given by solving the initial value problem of the one-dimensional heat conduction equation, thus explaining the existing experimental data of the pseudospark cathode superemission. In the case of multigap discharge, the above mechanism occurs on nearly all cathode and interelectrode surfaces. Experimental evidence in single- and multigap pseudospark discharges supports the suggested explanation     

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.     

表面形貌对热阴极电子发射特性的影响

为了研究热阴极表面形貌对电子发射能力的影响,使用飞秒激光微纳加工技术在光滑的热阴极表面制备不同尺寸和形状的周期性条纹结构,并使用相同的制备工艺对阴极进行除气和激活.测试结果显示:阴极表面周期性条纹结构可有效增强阴极的电子发射能力,正交双向条纹结构表面阴极的发射电流密度高于单向条纹结构表面阴极的发射电流密度,而且随条纹结构尺寸的降低,阴极的电子发射能力逐渐增强.对阴极表面形貌进行仿真,发现微尖顶端位置在强电场的作用下具有较强的电子发射能力.当阴极表面微尖底部直径与高度比值(r/h)较小时,微尖的侧面仍是阴极电子发射的主要区域,但是随着r/h减小,阴极的电子发射区域逐渐由微尖侧面发射向微尖顶端转移,场助电子发射效应成为阴极电子发射的主要组成部分.     

天鹅绒阴极发射性能的实验研究

在长脉冲(50～100ns)和短脉冲(3ns)条件下,我们对天鹅绒阴极的发射性能进行了实验研究。其阴极电流密度分别为400A/cm~2和7kA/cm~2。 我们分别测量了电流-电压曲线,使用Cherenkov效应得到了阴极发射图象,得到了天鹅绒纤维的扫描电镜照片并测量了天鹅绒阴极的实验结构。在此基础上讨论了天鹅绒阴极的发射机理。     

中间层Re的加入对覆膜钡钨阴极性能的改善

研究了一种新型的覆膜钡钨阴极——双层膜(Os-W/Re膜)钡钨阴极.对这种新型阴极的发射性能进行了测试，重点对其老炼前后表面薄膜的微观形貌进行了分析，表明中间层Re膜的加入使覆膜钡钨阴极的性能得到了改善.通过对Os-W双元合金膜钡钨阴极和Os-W/Re双层膜钡钨阴极发射特性的比较，发现Os-W/Re双层膜阴极的直流发射性能好于Os-W合金膜阴极.对两种阴极激活后发射表面的X射线光电子能谱分析表明，Os-W/Re双层膜阴极激活后表面形成的三元合金膜是其发射特性优于Os-W合金膜阴极的主要原因.应用扫描电子显微镜分析比较两种阴极激活老炼后的表面状态，结果表明：Os-W合金膜阴极在老炼一段时间后，其表面薄膜出现开裂，这会导致阴极发射均匀性下降；而Os-W/Re双层膜阴极在同样老炼条件下，发射表面薄膜均匀并保持完整，从而确保覆膜钡钨阴极发射均匀性和工作可靠性. 关键词： 双层膜钡钨阴极 Os-W/Re膜 Os-W膜 薄膜开裂     

大电流稳定发射铁电阴极的模拟与实验研究

讨论了铁电阴极的发射机理, 借助MAFIA对不同电极结构的铁电阴极表面电场分布进行了模拟计算. 计算中发现, 发射面电极结构对铁电阴极表面三界点处的场增强效应影响很大,特别是具有孤岛电极结构的铁电阴极具有更大的三界点场强,从而获得更大和更稳定的发射电流. 通过对电极结构及其工艺的改进,使用PLZT铁电阴极在实验中得到了大于100A的电流.