新型碳纤维天鹅绒阴极研究

阴极材料是高功率微波技术的重要研究内容之一。对于高功率微波器件来说，阴极材料的性能直接影响甚至决定着其技术性能。良好的阴极材料要求具有发射阈值低、启动快、束流密度大、发射均匀性好、出气率低、长寿命、等离子体闭合速度慢、可维护性好且价格便宜等优点。但目前常用的阴极材料如天鹅绒、碳纤维、石墨、不锈钢等都存在一定的缺点，难以满足上述所有要求。近年来，美国空军武器实验室研制了一种新型碳纤维天鹅绒阴极，该阴极具有上述所有的优点，已成为阴极材料研究的重要发展方向。本项目拟探索研究由碳纤维制作新型碳纤维天鹅绒阴极，阐明其产生阴极等离子体的物理机制，明确其阴极等离子体膨胀、束流发射能力、运行寿命、发射域值和发射均匀性等物理特性，并结合相关的高功率微波器件开展应用研究。本项目对于拓展阴极基础研究和提高高功率微波器件的技术性能都具有重要意义。

本项目从碳纤维天鹅绒材料制备、阴极等离子体光学诊断平台建立、碳纤维天鹅绒阴极工作性能研究及其应用等方面开展了系统深入的研究。相关工作对于拓展阴极基础研究、深入认识强流电子束二极管基础物理问题，以及改善天鹅绒阴极应用性能具有重要的理论及现实意义。本项目的研究内容主要包括以下方面：.1. 碳纤维天鹅绒材料制备.根据碳纤维电导率高的特点，理论分析了良导体纤维在静电场中的动力学特性；采用碳纤维表面改性的方法，解决了碳纤维短切丝在气体环境中的团聚问题；.采用在植绒装置中填充N2/SF6混合气体的方法，解决了碳纤维短切丝引起的植绒电极短路问题；制备了碳纤维天鹅绒材料，长度为2.0±0.5mm的碳纤维短切丝均匀分布于基底表面，覆盖率达5%。.2. 强流电子束阴极等离子体光学诊断平台建立.搭建了作为阴极等离子体光学诊断平台基础的脉冲功率调制器；研制了信号处理器，在5ns时间内获得了抖动小于1.5ns的高速相机同步触发时间基准；采用高压电脉冲延时辅以二极管等离子体发光信号延时的方案，实现了高速相机的纳秒级同步触发；综合采用屏蔽和滤波等电磁兼容措施，保证了高速相机在距离脉冲功率调制器5m范围内安全稳定工作；开展了阴极等离子体光学高速照相实验，图像时间分辨率为10ns，空间分辨率为0.167mm/pixel。.3. 碳纤维天鹅绒阴极的工作性能研究.对比研究了常规天鹅绒和碳纤维天鹅绒阴极的等离子体特性和阴、阳极材料对二极管放气的影响。提出了一种基于光学高速照相和数字图像处理技术的方法，据此计算得到了阴极等离子体二维膨胀速度；研究了阴极边缘效应及阳极溅射对阴极的烧蚀。研究了重频运行条件下的脉冲不稳定性问题。根据阳极表面入射电子束功率的时间变化和空间分布特性，修正了Mesyats关于阳极表面热过程研究的模型，据此得到的理论结果可以在更长的时间和更宽的空间范围内分析脉冲电子束辐照条件下阳极表面的热过程。.4. 碳纤维天鹅绒材料应用.开展了碳纤维天鹅绒阴极在磁绝缘线振荡器中的应用研究；此外，开展了碳纤维天鹅绒材料在微波隐身和杂散光抑制领域的应用。