基于金属-碳纤维复合材料阴极强流电子束源的研究

电子束源有着广泛的应用，利用强流电子束源激励高功率微波是其重要的应用之一。用什么产生高质量强流电子束，如何提高强流电子束的利用率，改善电子束源在长脉冲、大电流或高重频条件下稳定运行。研究碳纤维阴极在强电场作用下的电子发射机制、阴极等离子体特性、空间电荷限制流、阴阳极表面物理、阴阳极射流、热加载及在微波源中的应用等问题。利用场发射和闪络相合阐述碳纤维阴极等离子体形成机制，确立阴极斑壳层理论以解释等离子体发展规律，采用光学诊断测量阴极等离子体参数，阴极表面形态对束流提取的影响，建立阴阳极射流及之间相互作用模型，关于阳极热加载及束流对阳极金属晶体缺陷的影响，理解在电磁结构下电子束流传输及空间电荷效应、微波源中束波相互作用，通过理论和实验上的研究加深对束流产生与传输的认识，预期得到的结果具有一定参考价值，将进一步促进束流物理的研究和电子束源的应用发展。

强流电子束源是高功率微波产生的一项关键技术，它主要涉及发射机制、材料、制造技术和器件几何结构几个方面。从国内外研究现状来看，寻找实现长脉冲和重复频率运行的长寿命阴极材料，改进阴极的制备工艺和优化二极管结构以及加强阴极等离子体参数的诊断是强流电子束技术的发展趋势。因此，研究利用新材料、新工艺研制具有高性能的强流电子束源，并以此开展相关的基础性研究具有重要意义。本课题组在国家自然科学基金支持下已经完成了预期研究目标，主要研究成果和结论归纳为以下四个方面：1、探索和采用新材料、新工艺制备新型阴极，解决好阴极表面处理工艺。实际研究中采用碳纤维来制备新型阴极，设计它的成型工艺，包括金属基碳纤维阴极（已获得国家发明专利）和织构化碳纤维阴极。作为新材料的应用，金属基碳纤维阴极解决长寿命、不含胶、易加工等问题，织构化碳纤维阴极解决阴极表面的几何形状和均匀性问题，实际上这种均匀性比阴极材料本身更为重要。2、PIC模拟研究在外加强电场作用下碳材料系列阴极的发射机制及表面等离子体的产生机制、阴极等离子体膨胀规律，以及强流电子束从这种高密度阴极等离子体中引出的特点及物理规律。建立物理模型，深入认识和努力解决与阴极相关的科学技术问题。发现一些新现象、新规律。（研究成果已发表在POP）3、建立强流阴极物理参数的测量和诊断平台，结合多种测量手段（电学测量，高速分幅照相和光学干涉诊断），加强阴极两个方面性能的测试：一是产生强流电子束的性能；二是驱动高功率微波源的性能。深入理解强流二极管中发生的物理过程，合理改进阴极制备。（研究成果已发表在RSI）4、优化设计出适合高功率微波源实际需求的阴极，并进行相关实验给出相应的实验结果。具体制备MILO用阴极，解决大尺寸、非平面、均匀性和对称性等问题。制备的阴极更趋实用。