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阴极等离子体及阴极表面损伤研究

门涛  
【摘要】: 爆炸电子发射阴极是高功率微波系统的关键器件,对微波输出功率和微波脉宽有着重要影响,而阴极等离子体决定了强流电子束的提取。因此本文围绕阴极等离子体膨胀速度、阴极表面损伤进行了理论和实验研究,同时研究了阴极等离子体膨胀速度对二极管阻抗变化的影响。 实验分析了爆炸电子发射阴极在电子发射后的表面损伤情况,结果表明不锈钢阴极的发射机制是爆炸电子发射,而对于天鹅绒和碳纤维阴极,在爆炸电子发射的同时伴随有表面闪络发射机制。碳纤维阴极表面电子发射之后发射体增多,而不锈钢和天鹅绒阴极表面电子发射后发射体减少。实验研究了阴极在重复频率条件下的工作特性,结果表明碳纤维阴极输出束流和二极管电压稳定,重复性好、寿命长,二极管气压对对阴极寿命和电子束质量有着重要影响。 进行了超高速相机测量阴极等离子体衰减时间实验,取得了初步的实验成果,通过相机拍摄的照片可以得到金属介质阴极的等离子体衰减时间约为1.6μs。对实验提出了进一步的改进方案,拟使用脉冲发生器的两路电触发信号分别触发加速器和超高速相机,这样相机拍照和阴极放电可保持同步进行。 碘化铯(CsI)是优秀的远紫外光电发射材料,CsI涂层使阴极表面的发射体数量增加。使用电学和光学诊断工具研究阴极等离子体膨胀速度,浸渍了CsI阴极的等离子体膨胀速度比没有浸渍CsI的阴极要小。阴极表面浸渍CsI可使二极管电压脉宽延长,并且降低了阴极电子发射阈值,导致电流上升时间比较快,最终提高了高功率微波输出功率。 实验研究了反射三极管虚阴极振荡器的二极管阻抗随时间变化特点、等离子体从阴极表面向阳极膨胀导致二极管阻抗崩溃和虚阴极的形成过程。从Child-Langmuir定律和顺位流模型出发讨论了阴极等离子体膨胀对二极管阻抗的影响,定义了二极管阻抗的过渡点。二极管阻抗随时间变化可以分为五个阶段,阻抗变化特性可揭示虚阴极振荡随时间变化过程,和微波辐射的起始和截至时刻。


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