基於一維納米材料的大面積強流發射冷陰極研究

《基於一維納米材料的大面積強流發射冷陰極研究》是依託北京科技大學，由廖慶亮擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於一維納米材料的大面積強流發射冷陰極研究
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：廖慶亮
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

選取一維納米氧化鋅和碳納米管作為電子發射材料，分別採用低溫水熱合成和低壓化學氣相沉積方法實現兩種材料體系的大面積一維納米材料冷陰極的可控制備；研究基於兩種一維納米材料的大面積冷陰極在高壓脈衝電場中的強流電子發射性能，分析納米發射體的尺寸、密度和結構、缺陷等因素對陰極強流發射性能的影響，建立發射體的形態特徵與陰極強流發射性能之間的數值關係模型；提出具有最佳發射性能的陰極製備工藝路線，通過調控工藝參數提高納米材料陰極的強流發射性能；採用基片處理與改性、發射體尖端沉積低逸出功金屬或CsI和表面電漿處理等措施改善陰極的強流發射性能；表征一維納米材料冷陰極的強流電子束髮射過程，探索納米材料的強流發射理論。研製發射電流密度高、性能穩定的一維納米材料冷陰極作為強流電子束源，開展兩種體系的納米材料冷陰極在加速器以及高能微波電子器件上的套用。

結題摘要

在本項目的研究中，成功控制合成了多種形貌的氧化鋅（ZnO）納米結構和碳納米管材料，並利用兩種納米結構構建了大面積強流發射冷陰極。採用低溫水熱合成製備了氧化鋅納米棒陣列陰極，並通過絲網印刷和浸漬塗敷法製備了四針氧化鋅和碳納米管薄膜陰極。製備的一維納米材料冷陰極的直徑均為50 mm。研究了基於兩種一維納米材料的大面積冷陰極在高壓脈衝電場中的強流電子發射性能，由於電漿在脈衝間隙的膨脹，納米材料陰極在雙脈衝條件下的發射能力高於在單脈衝下的發射能力，雙脈衝發射的電漿亮度高於單脈衝發射電漿亮度。分析納米發射體的尺寸、密度和結構等因素對陰極強流發射性能的影響，提出了改善性能的最佳化工藝。通過在矽襯底上預鍍Fe、Al膜有效提高了陰極的碳納米管薄膜陰極的發射性能，當Fe膜為60nm時，10nm碳納米管薄膜陰極的陽極發射電流最高達到342.53 A。研究了陰極發射時，陰陽極的電流信號的不同，發現氧化鋅納米棒陣列陰極的陽極電流約占陰極電流的為27~28％，而碳納米管薄膜陰極的陽極電路約占陰極電流的24~26％左右。研究了不同材料納米陰極的發射啟動時間，氧化鋅納米棒陣列陰極發射的啟動時間約為27~28ns，而碳納米管薄膜陰極發射的啟動時間約40ns左右，兩種納米陰極比天鵝絨陰極的啟動時間20ns都長。四針ZnO薄膜陰極的發射電流低於氧化鋅納米棒陣列陰極，發射啟動時間約為35ns。陰極發射時產生了大量的電漿發光。二極體的真空度對陰極的發射性能也有很大的影響，納米陰極在低真空條件下的發射電流高於高真空條件下的發射電流強度。當真空度提高時，陰極的發射電流和有效發射半徑降低，電漿發射電子數量減少。發現了碳納米管陰極在強流發射過程中的在陰極的發射過程中，碳納米管分解與氣體解吸現象，發現在1.64MV的電壓下，陰極最高發射電流達到2313.2A，陰極的排氣量為0.485 Pa.L。通過本項目的研究實現了基於納米材料的強流發射冷陰極在直線感應加速器上的套用，具有很好的套用前景。 本項目共發表高水平學術論文17篇（均為SCI、EI源刊論文），其中影響因子大於2的論文14篇，申請國家發明專利4項，批准專利6項。參加國內外學術會議4人次，2名項目組成員分別赴德國和美國交流訪問。研究成果獲得北京市科學技術獎一等獎1項。