阴极束流作用下金属氢化物阳极能量加载研究

The metal hydride is widely applied in plasma source, vacuum switch and sealed neutron generator. Acting as the cathode, the cathode spot with high-temperature and density takes the responsibility for dehydrogenation and ionization. The cathode spot is unstable and is characterized with high local temperature and random discharge position, making it difficult to control the hydrogen desorption. When used as anode, the hydrogen in anode metal hydride can be heated, desorbed and ionized by pulsed current and plasmas ejected from cathode spot with the advantage of bigger desorption area and lower anode temperature, which is different from the traditional joule heating mechanism. . In this work, we will focus on the metal hydride anode structure, and aim at understanding the physical process of anode phenomenon. Frame imaging, emission spectroscopy and mass spectroscopy will be employed to study the anode energy loading process. In addition, one-dimensional anode thermal model will be established and verified by temperature measurement. The control and management of anode temperature and desorption will be realized through optimization of electrode structure and electrical parameters.

金属氢化物广泛用于等离子体源、真空开关和密封中子管研究中。将其作为放电阴极时，利用高温高密度的阴极斑对氢进行解吸附和电离。然而阴极斑的局部温度高且产生位置随机而不稳定，使得氢的解吸附不易控制。将金属氢化物置于阳极时，与传统强焦耳热效应加热不同，该结构利用阴极的脉冲场致发射电子流和阴极斑喷射的脉冲等离子体加热阳极，在增大氢的解吸附面积的同时降低了阳极表面温度。. 本课题围绕金属氢化物阳极结构，拟采用分幅图像诊断法、发射光谱法和电磁质谱法等多种探测手段，对脉冲阴极束流作用下阳极能量加载的物理过程开展研究。同时，建立一维阳极温升物理模型，通过阳极温度测量校验物理模型，并通过对电极结构和电参数的调节，实现对阳极温度和释氢的调控。本基金的研究有助于深化金属氢化物阳极效应的物理认识。

金属氢化物作为常用的储氢材料，具有储氢安全系数高和体积密度高等显著特点，使其在便携式氢源、氢离子源、真空开关和密封中子管研究中等方面有广泛应用。传统的氢离子源中，金属氢化物作为放电阴极时，利用高温高密度的阴极斑对金属中的氢进行解吸附和电离，然而阴极斑的局部温度高且产生位置随机而不稳定，使得氢的解吸附不易控制。.本项目提出将金属氢化物置于阳极，金属阴极在强脉冲电流作用下产生场致发射电子流和等离子体，阴极斑喷射出的等离子体迅速膨胀轰击加热阳极。该设想的优势在于到达阳极时的面积相比于阴极斑有很大提高，增大了氢的解吸附面积。同时阳极其它区域的氢通过热传导也能大量解析，这与传统的强焦耳热效应加热方式明显不同。在增大氢的解吸附面积的同时降低了阳极表面温度，减少了金属离子的电离进而增大氢离子的相对比例。围绕金属氢化物阳极结构，采用分幅图像诊断法、发射光谱法和电磁质谱法等多种实验手段，对脉冲阴极束流作用下阳极能量加载的物理过程开展了研究。同时，建立了一维阳极温升物理模型并模拟了阳极温升过程。.理论分析认为，阳极加载的能量可由阴极束流提供的电子和离子流沉积。数值计算表明，电子温度提高，总沉积能量增大，总沉积能量近似正比于电子温度。而电子密度增大，沉积的总能量减少。.放电图像和光谱测量结果显示，放电早期电极发光都集中在阴极斑区域，电极其它区域未观察明显的发光现象；此后，H离子发光充斥整个电极区域且逐渐增强；Ti和可见光波段沿电极内环边缘有发光现象，圆心附近区域发光相对较弱；2us后，H离子发光开始减弱，Ti和可见光波段有明显的等离子体通道形成且持续增强。上述结果表明，在放电前期放电通道主要由H离子形成，而到后期放电由Ti离子维持。.对比金属氢化物作为阴极和阳极两种情况，两种磁质谱测量结果都证明金属氢化物作为阳极时，H离子的绝对量和相对量均有显著提升，这与理论预判相吻合。针对三种不同的阴极材料进行了束流比的相对测量，给出了阴极材料的优化选择依据。.基于热传导建立的基于固体圆柱阳极的一维热模型模拟结果显示阳极温度随着电流加载时间增加而升高，初步模拟结论认为阳极温升与加载功率密度成正比。同时，温度场有效扩散距离仅为几个微米，电极表面的热传导可以忽略。.通过实验诊断和数值模拟研究，本项目完成了项目研究内容，获得了金属氢化物阳极的能量加载过程的基本认识，达到了项目预测研究目标。