离子束辐照对金属电极电子发射阈值的影响研究

Vacuum insulation has been widely applied in the filed of high pulsed power technology. Because of Schottky effects, external electric field would decrease the escaped power of surface electron of metallic electrode. The appearance of explosive electron emission from cathode when the electric filed exceeds a specific threshold could generate great impacts on the functions of vacuum apparatuses in the pulsed power systems, such as decreasing impedance, increasing energy loss and even invalidating vacuum insulation and so on. Elevating surface electron emission threshold and particularly avoiding its occurrence under a certain grade of electric field should be favorable for the enhancement of device performance and the amelioration of insulation intensity. This project attempts to adopt intense pulsed ion beams to irradiate metallic electrode surface, and investigate the influences of irradiation parameters on the electron emission threshold and discuss the physical mechanism. Finally, an effect method to heighten electron emission threshold can be explored by optimizing the irradiation parameters. This work would be significant for the improvement of apparatus design and the further cognition of dielectric properties of the irradiated metal.

在高功率脉冲技术中，真空绝缘被广泛应用。由于肖特基效应，外电场会降低金属表面电子的逸出功。当阴极表面场强达到特定阈值时，将产生爆炸电子发射，这给脉冲功率系统真空器件的性能带来很大的影响，比如降低阻抗、增加能量损耗、严重时会导致真空绝缘失效等等。提高电极表面电子发射阈值，甚至在一定等级的场强下避免出现电子发射，对提高真空器件的性能和改善绝缘强度极为有利。本项目拟采用强流脉冲离子束辐照金属电极表面，研究不同的辐照参数对电子发射阈值的影响，并探讨其中的物理机理，以实现对辐照参数的优化，进而探索一种提高电极表面电子发射阈值的有效方法。研究工作对提高脉冲功率真空器件的设计水平以及提升离子束辐照后金属材料的电介特性的认识具有重要意义。

本项目采用理论与实验相结合的方式开展研究，运用强流脉冲离子束辐照金属电极表面，探索一种提高电极表面电子发射阈值的有效方法。首先建立能量沉积和温度场分布理论模型，研究不同的辐照参数对常用电极304不锈钢和2A12铝金属表层几μm厚度区域内形貌的影响，并探讨其中的物理机理，进而实现对实际工艺中辐照参数的优化，期望得到最优的辐照处理，能够熔融金属表面的不平整结构。实验结果表明未处理的铝电极和不锈钢电极的电子发射阈值分别为143kV/cm和220kV/cm；经过离子束辐照处理的电极的电子发射阈值有明显提高，平均值为368kV/cm，不同样品的发射阈值略有差异。通过本项目的研究，明确了离子束各种辐照参数对表面形貌的影响，采用离子束辐照使得电子发射阈值有显著的提高，虽然辐照之后的电极表面粗糙度未达到最优状态，但是也充分体现了离子束辐照处理电极表面所带来的优势。如果在后续研究中能够把辐照后的实验值与能量沉积模拟计算中的理论值相校核、迭代，效果会更好。研究工作对提高脉冲功率真空器件的绝缘设计具有重要意义。