天鵝絨陰極強流多脈沖發(fā)射特性研究.pdf

1、天鵝絨陰極能夠產(chǎn)生高亮度強流電子束，并且成本低、使用方便，在強流高功率單脈沖電子束裝置中得到了廣泛的應用。然而，在兆赫茲猝發(fā)多脈沖條件下的發(fā)射特性如何未見系統(tǒng)報道。在本論文所開展的研究中，建立了一臺能夠產(chǎn)生猝發(fā)強流多脈沖電子束的功率源及真空二極管，利用該裝置，通過實驗研究了天鵝絨陰極在強流猝發(fā)多脈沖條件下的發(fā)射特性。研究得到如下結(jié)論： 在猝發(fā)多脈沖工作模式下，天鵝絨陰極仍具有強流發(fā)射能力，發(fā)射電流密度可以達到100A/cm2。同

2、時在實驗中觀測到，在多脈沖發(fā)射條件下，陰極面發(fā)射不均勻，也不穩(wěn)定。通過對前人研究工作的總結(jié)，及對本研究中觀察到的一些實驗現(xiàn)象的分析和解釋，得到天鵝絨陰極產(chǎn)生強流電子束的機理是場致等離子體發(fā)射的基本觀點，提出天鵝絨陰極產(chǎn)生強流電子束過程有三個中間過程，即尖端場致發(fā)射過程、纖維上吸附氣體離析和離子化過程及在外加電場作用下自由電子引出過程。 陰極等離子體對于論文中所研究的真空二極管狀態(tài)影響起主要作用。決定陰極等離子體膨脹速度的因素主要

3、有二極管區(qū)的電場強度、等離子體的密度梯度和等離子體溫度梯度等因素。實驗條件下，陰極等離子體的膨脹速度在1cm/μs～2cm/μs之間，最大可以達到7cm/μs，并最終導致二極管的閉合。陰極等離子體膨脹導致陰極等效發(fā)射面前移和二極管負載的增加，引入電子束初始發(fā)射度增加項和導致二極管輸出電子能散的增加。針對陰極等離子體的膨脹對引出電子束的影響，建立了多脈沖條件下的描述強流真空二極管基本特性的方程組，并在該方程基礎(chǔ)上，建立了多脈沖二極管物理模

4、型，運用ANYSYS和MAGIC程序進行了多脈沖二極管狀態(tài)的數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，陰極等離子體以柱狀向陽極推進。 天鵝絨陰極產(chǎn)生對猝發(fā)多脈沖強流電子束亮度優(yōu)于5.0×107A/(m·rad)2。采用了胡椒筒法結(jié)合電子束在石英片中產(chǎn)生的契侖柯夫效應實驗測量了高重復頻率發(fā)射條件下多脈沖電子束的積分發(fā)射度，并結(jié)合電阻環(huán)測量的電子束流給出了高重復頻率猝發(fā)多脈沖電子束的積分亮度。用反磁回路獲得了雙脈沖電子束包絡(luò)隨時間變化情況。實驗結(jié)果表