碳化矽納米線陰極強流電子束源及其重頻運行特性研究

《碳化矽納米線陰極強流電子束源及其重頻運行特性研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由荀濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：碳化矽納米線陰極強流電子束源及其重頻運行特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：荀濤
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

強流電子束源陰極是高功率微波系統的核心部件之一，為滿足高功率微波源重複頻率、長壽命運行的需求，強流陰極需要吸納新型材料。SiC納米線是一類新型納米材料，其外觀類似於傳統天鵝絨材料，同時具備高熔點、良好的熱穩定性及化學穩定性、高的力學強度及電擊穿強度，這些特點對於提高陰極在重複頻率運行時的使用壽命不無益處。 本項目提出採用SiC納米線來製備強流電子束源陰極的思路，擬在已成功製備SiC納米線的基礎上，進一步組裝為強流發射陰極，並套用於高功率二極體。通過研究SiC納米線陰極的強流發射特性，闡明其產生陰極電漿的物理機制，揭示納米效應對束流發射品質的影響；通過研究高重複頻率條件下的脈衝特性，探索影響SiC納米線強流電子束源運行壽命的因素。本項目的實施對於拓展陰極基礎研究和提高強流電子束源的技術性能都具有重要意義。

結題摘要

強流電子束源陰極是高功率微波系統的核心部件之一，隨著高功率微波技術的實用化進程，要求強流電子束源陰極不僅具備較高的束流發射品質，還要能耐燒蝕、放氣量小、壽命長。為此，強流電子束源陰極需要吸納新型強場材料。 SiC納米線外觀類似於傳統天鵝絨陰極，同時具備高熔點、良好的熱穩定性、化學穩定性、高的力學強度及電擊穿強度。本項目在成功製備SiC納米線陰極的基礎上，將其套用於高功率二極體，在450 kV、120 ns脈衝載入下，對比研究了常規天鵝絨和SiC納米線的束流發射品質和重頻運行特性，包括陰極啟動過程、陰極電漿膨脹、巨觀穩定性及運行壽命等。結果顯示，SiC納米線陰極的電子發射閾值場強為10±2 kV/cm，約為常規天鵝絨陰極的1/3；電場強度上升率相同時，SiC納米線陰極比常規天鵝絨陰極啟動時間短20 ns；SiC納米線陰極在不同時刻的電漿發光更強烈也更均勻，對應的二極體電流也更大；在90 kV/cm的強場條件下，SiC納米線陰極能夠改善二極體的巨觀電穩定性且運行壽命更長；在二極體本底氣壓為6x10^-3 Pa時，SiC納米線陰極對應的二極體峰值氣壓約為普通化纖天鵝絨陰極的1/5，僅為0.062 Pa；對比研究了常規天鵝絨和SiC納米線的重複頻率工作穩定性。在重複頻率10 Hz-300 Hz條件下，當電流密度小於100 A/cm^2時，SiC納米線的平均不穩定度約為常規天鵝絨陰極的1/2；在電流密度為60~70 A/cm^2條件下，當重複頻率相同時，SiC納米線陰極工作更為穩定。最後，開展了SiC納米線陰極在高功率微波源MILO中的初步套用。在電子束參數為600 kV、50 kA的實驗條件下，與常規天鵝絨陰極相比，使用SiC納米線陰極不僅減少了MILO輸出微波的倍頻成分，而且提高了微波的峰值功率。 本項目創新性的將一維納米材料——SiC納米線獨有的理化特性和高功率微波源發展趨勢相結合，通過本項目的研究，為SiC納米線陰極強流電子束源在高功率微波、強流電子束加速器等領域獲得重要套用提供了有益的參考和指導，並且展示出了良好的套用前景。