强流二极管中等离子体特性的研究

【摘要】：强流电子束二极管的研究是高功率微波技术领域的重要课题。论文对阴极等离子体膨胀过程进行了深入细致的理论分析、粒子模拟和实验测量研究。同时，理论分析了爆炸电子发射过程中等离子体的形成、阴极等离子体斑的发展以及阳极等离子体的形成等过程；实验观察了不同时刻阴极等离子体光斑的分布和阳极表面在电子束辐照后微观结构的变化；测量了铜尖峰阴极表面附近等离子体的数密度分布。论文得到的结果对研制高性能的用于高功率微波源的阴极具有参考价值。论文研究的主要内容包括以下几个方面： （1）通过求解阴极等离子体膨胀的流体模型得到了阴极等离子体膨胀速度的解析表达式。在该表达式中，等离子体膨胀速度决定于等离子体在边缘处和中心区域处的离子数密度的比值和声速。中心区域的等离子体数密度越高等离子体膨胀速度越大，等离子体边缘附近的离子数密度越高等离子体膨胀速度越小。该表达式预示了在整个高压脉冲期间，阴极等离子体膨胀速度随时间近似成“U”字型变化；多成分阴极等离子的体膨胀速度取决质量最轻的离子的量；抑制氢离子的形成有利于降低等离子体膨胀速度。 （2）实现了阴极等离子体运动过程的PIC模拟。通过粒子模拟，观察了粒子数密度分布和电势分布演化过程，并在此基础上，讨论了阴极等离子体膨胀的机制。结果表明，阴极等离子体出现后，由于电子速度远大于离子速度，较多的电子离开等离子体区域，部分离子未被等离子体电子中和，这些离子将中和电子束的空间电荷，使二极管中的电流密度得到增大。二极管中的电流密度增大将导致二极管中的电势降低。随着等离子体的不断积累，等离子体边缘附近的电势不断减小，当等离子体边缘附近的电势小于或等于等离子体电势时，离子就可以运动到电势小于或等于等离子体电势的区域，等离子体向阳极的膨胀得到实现。模拟还通过改变等离子体参数验证了流体模型给出的等离子体膨胀速度的解析表达式。 （3）通过高速分幅照相，观察了平面天鹅绒阴极和铜尖峰阴极表面等离子体光斑的分布特点和演化过程。天鹅绒阴极表面的发光是由许多离散分布的阴极等离子体光斑组成的，在整个高压脉冲持续时间内，离散的阴极等离子体光斑并没有合并成为覆盖整个阴极表面的发光层；不同的脉冲之间等离子体光斑出现的位置是随机的。对铜尖峰阴极等离子体光斑随时间的演化过程的分析表明，不同亮度等离子体层的膨胀速度并不相同，亮度越高的等离子体层膨胀速度越慢。 （4）引入了干涉测量法对阴极等离子体数密度分布进行测量。测量系统由干涉仪连续地输出干涉条纹图样，由高速分幅相机记录阴极等离子体形成的干涉条纹图样，在一个高压脉冲过程中输可以出4幅干涉条纹图样。在电压100kV，电流8kA，脉宽150ns的实验条件下，测量得到不同时刻铜尖峰阴极表面的等离子体形成的干涉条纹图样。通过比较不同时刻的干涉条纹得到等离子体膨胀速度约为1.7cm/μs；通过Abel反变换得到电子数密度的径向分布和轴向分布，在阴极表面附近电子数密度大于4×1018cm-3，在等离子体边缘附近电子数密度约为4×1017cm-3，在轴向的边缘上电子数密度约为5×1016cm-3；根据等离子体在径向边缘上的磁流体力学平衡条件，得到阴极等离子体的温度约为3.5eV；在整个测量区域对等离子体数密度积分，得到阴极等离子体中电子数约为二极管转移电子数的3倍。 （5）实验观察了铜板阳极和不锈钢网阳极在强流脉冲电子束作用下微观结构的变化，讨论了阳极等离子体的形成过程以及阳极离子流对二极管束流的影响。电子束轰击后的Cu阳极横截面上出现分层结构，厚度~20μm的表层物质分布较为均匀，内层中有大量的孔穴。不锈钢阳极网在电子束反复轰击下其表面出现了高300~500μm、宽200μm沿不锈钢丝轴向准周期分布的微尖峰。阳极表面汽化形成等离子体所需的时间与二极管阻抗成正比与电子束流的截面积成反比。电子束电离阳极表面解吸附气体将形成离子，离子在电场作用下进入加速空间而形成阳极离子流，在阳极离子流达到空间电荷限制离子流之前，二极管电流与空间电荷限制电子流的差与阳极离子流的大小近似成正比。