碳纳米管阴极强流脉冲发射特性研究

论文摘要

电子直线感应加速器（LIA）闪光照相时所需要的电子束的束流强度高达数kA。通常只有热致电子发射阴极和场致电子发射阴极能够获得如此大的电流强度的电子束。其中,热阴极获得的电子束的束流品质较好,但发射电流密度相对较低,阴极容易中毒,寿命较短,而且成本高。场致发射阴极属于冷阴极的范畴,高压脉冲场强下,场致发射阴极也能够引出强流电子束,并且阴极发射电流密度相对较高,寿命较长,因此被广泛应用于强流电子加速器和高功率微波管中。论文中通过ANSYS模拟了2MeV LIA注入器平台二极管区的静电场分布,结合实验情况,说明了在使用不同阴极组件的情况下静电场分布对阴极发射的影响;通过模拟二极管阴极持续放气与二极管真空室压强分布的关系,得到了二极管区分子泵在腔壁的分布对真空室压强分布的影响较大的结论。在2MeV LIA注入器平台上开展了大面积碳纳米管阴极强流脉冲发射特性研究实验。通过多种手段和设备系统地研究了碳纳米管阴极强流脉冲发射特性。主要得到以下结论：碳纳米管阴极具有强流脉冲电子束发射能力,在1.61MV的二极管脉冲高压下,获得了108.4A/cm2的发射电流；碳纳米管阴极强流脉冲发射不是理想的场致电子发射,与天鹅绒阴极、碳纤维阴极等阴极强流脉冲发射一样属于等离子体发射；初步分析了在碳纳米管阴极强流脉冲发射实验中,阴极等离子体的膨胀对二极管导流系数和阻抗的影响：通过气体质谱分析发现,碳纳米管阴极强流脉冲发射时伴随有较多的CO2、N2（CO）、H2等几种常见气体的阴极放气,通过分析这些气体成分含量的变化,明确了形成等离子体气体的来源；分析了阴极放气对二极管真空室压强的影响,通过对压强时间变化曲线的数值积分,粗略计算了特定几发实验所引起的阴极放气的放气量为0.06-0.49Pa·L,相应的放气分子数目与电子数目之比为170～350atoms/e-,得到阴极等离子体是弱电离等离子体的结论；实验估测了碳纳米管阴极特征启动时间约为39ns,并且特征启动时间与脉冲场强无关仅与碳纳米管的合成方法相关。通过对碳纳米管阴极强流脉冲发射时的各种特性分析得到阴极发射的机制为场致等离子体发射,明确了场致等离子体发射的具体过程。另外,还说明了场强对碳纳米管阴极强流脉冲发射的影响以及对比研究了天鹅绒阴极与碳纳米管阴极强流脉冲发射时的各种特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 选题意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 场致发射阴极强流脉冲发射研究概况
• 1.2.2 碳纳米管的发现史
• 1.2.3 碳纳米管阴极强流脉冲发射研究概况
• 1.3 典型的碳纳米管阴极强流脉冲发射
• 1.4 论文主要研究工作
• 第二章 相关理论及数值模拟
• 2.1 相关概念及理论模型介绍
• 2.1.1 描述电子源的相关参数
• 2.1.2 电子发射的基本方式
• 2.1.3 场发射模型
• 2.2 数值模拟
• 2.2.1 二极管静电场分布
• 2.2.2 二极管真空室压强分布
• 2.3 本章小结
• 第三章 碳纳米管阴极的强流脉冲发射特性实验研究
• 3.1 实验概况
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 碳纳米管阴极的制备
• 3.2 碳纳米管阴极强流脉冲发射特性
• 3.2.1 强流脉冲发射能力
• 3.2.2 等离子体发光特性
• 3.2.3 二极管导流系数与阻抗
• 3.2.4 放气质谱特性
• 3.2.5 放气特性
• 3.2.6 特征启动时间
• 3.3 本章小结
• 第四章 碳纳米管阴极强流脉冲发射机理
• 4.1 研究概况
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.3 碳纳米管阴极强流脉冲发射机理
• 4.4 本章小结
• 第五章 场强对发射的影响以及几种阴极强流脉冲发射特性对比
• 5.1 场强对碳纳米管阴极强流脉冲发射的影响
• 5.1.1 场强对放气量的影响
• 5.1.2 场强对发射电流的影响
• 5.1.3 场强与电流波形关系分析
• 5.2 几种阴极强流脉冲发射特性
• 5.2.1 实验样品的制备
• 5.2.2 强流脉冲发射能力
• 5.2.3 二极管导流系数与阻抗
• 5.2.4 放气成分的特征峰电流
• 5.2.5 放气特性
• 5.2.6 特征启动时间
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录