碳化物改性石墨材料的强流电子束发射和收集特性研究
发布时间：2021-04-02 12:07
阴极和收集极分别作为强流电子束起点和终点,对高功率微波源的性能具有重要影响。石墨是较好的爆炸发射阴极和强流电子束收集极材料,但其仍存在易释气、易造成系统碳污染等缺点,从而影响了石墨阴极和收集极在高功率微波源中的性能。目前,从材料角度改善石墨阴极和收集极性能的研究很少,对阴极表面材料成分和微观形影响其爆炸电子发射过程及性能的研究较少,对这一问题的认识仍然不够清晰。同时,高功率微波技术的发展对石墨阴极和收集极的性能和使用寿命提出了更高的要求。本文选择用SiC、TiC和TaC三种不同成分的碳化物对石墨阴极进行表面改性,且通过控制改性工艺得到不同微观形貌的碳化物改性石墨阴极,研究碳化物改性石墨阴极表面材料成分及微观形貌对阴极爆炸发射性能的影响规律,为石墨基介质改性阴极的发展提供参考。此外,对TiC和TaC改性石墨材料收集强流电子束的性能进行研究,为提高收集极性能和拓展收集极材料提供参考。采用化学气相渗透法实现了不同形貌SiC改性石墨材料的可控制备。研究表明,调整CO气体浓度（或分压）可控制SiC晶体在石墨基体表面生长形态,调整反应温度可控制SiC晶须长短、疏密和SiC颗粒大小。降低系统总压,或...
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：215 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
一种典型HPM源的结构示意图[1]
国防科技大学研究生院博士学位论文第2页高功率微波的产生需要10kA量级的强流相对论电子束，电流密度一般超过1kA/cm2量级，因此HPM源中广泛使用强流发射能力较好的爆炸发射阴极[2,3]。1.1.1爆炸电子发射机理宏观上看，阴极表面是规则、平整的，但其微观上却存在许多不规则微结构。图1.2是阴极表面可能存在的各种不规则微结构的示意图[4]。对这些不规则微结构进行综合归纳后可以看出，阴极表面具有几何的微观不均匀性（微凸起、晶格边界微颗粒、孔洞、表面缺陷）和成分的微观不均匀性（夹杂介质、介质薄膜、吸附气体、油污等）[4]。几何和成分的微观不均匀性都会导致阴极表面电物理特性出现不均匀性，且阴极爆炸电子发射机理与其表面微结构密切相关。图1.2阴极表面不规则微结构的示意图[4]：（a）微凸起，（b）夹杂介质，（c）介质薄膜，（d）吸附气体，（e）晶格边界，（f）微颗粒，（g）油污，（h）微凸起破坏后孔洞，（i）表面缺陷传统的金属阴极场致爆炸发射理论认为，阴极表面的增强场致发射和加热导致的微点气化爆炸是阴极等离子体形成和强流电子束产生的主要机制。场致发射是电子强电场中穿过金属-真空边界位垒的隧道效应[4]。只有阴极表面实际电场强度大于电子穿过金属-真空边界位垒所需场强时，场致发射才可以发生。产生场致发射所需的电场强度E0如式（1.1）所示，me、、e分别为电子质量、普朗克常数和电子电荷。E0主要与材料功函数φ有关，材料功函数越低，则其产生场发射所需电场强度越校
国防科技大学研究生院博士学位论文第3页1320(2)eE=me（1.1）场发射电流密度由Fowler-Nordheim（F-N）公式决定[4]：()()232020ABexpEvyjtyE=（1.2）式中，j、E、φ分别指场发射电流密度、阴极表面实际电场强度、材料功函数，A和B为常数，()20ty≈1.1，()7021.44100.95Evy×=。对于场致爆炸发射阴极，当其与阳极形成二极管后，阴极表面实际电场强度E的表达式如式（1.3）所示：12dE=ββUd（1.3）式中，Ud为二极管电压，d为阴阳极间距，1β为二极管宏观场增强因子；2β为阴极表面发射微点处的微观场增强因子。宏观场增强因子主要由阴阳极几何形状和二极管结构来确定；而微观场增强因子的确定要依赖于发射微点类型。通常，阴极发射面上存在大量的微凸起，如图1.3所示，这些微凸起高度约为1μm，半高直径约为0.1μm[5]。经估算，微凸起的微观场增强因子可达100~1000[6]，微凸起的分布密度约为104个/cm2范围内[5]。因此，当阴极表面加载高电场时，微凸起处的微观场强将明显聚焦，其大小可增加至宏观场强的数百倍。图1.3金属表面微凸起场增强示意图[5]半导体的场致发射与纯金属没有本质上的区别，关于半导体场发射的理论研究仍然沿袭传统的F-N理论，但需要考虑外电场的渗透作用和表面态影响[7]。外电场透入深度与电子浓度的平方根成反比，对于金属，由于其电子浓度较大（1022个/cm3量级），电场透入深度小于一个原子层厚度，因此可以忽略不计；对于半导体，当电子浓度在1014~1018个/cm3范围内时，电场透入深度在纳米到亚微米的范围，即达到几十乃至几千个原子层的深度。此时，电场将透入半导体内部，并在
【参考文献】：
期刊论文
[1]导体表面圆角化过程中的电荷分布特性研究[J]. 王钰楠,仵杰. 工业控制计算机. 2017(04)
[2]表面微结构对碳化硅晶须掺杂石墨阴极爆炸电子发射性能的影响[J]. 华叶,万红,陈兴宇,吴平,白书欣. 物理学报. 2016(16)
[3]多孔材料有效导热系数的实验和模型研究[J]. 付文强,高辉,薛征欣,关卫军,韩飞,王兴东. 中国测试. 2016(05)
[4]电子能量对收集极中电子束能量沉积的影响[J]. 梁玉钦,邵浩,孙钧,霍少飞,白现臣,张晓微. 强激光与粒子束. 2016(03)
[5]碳纳米管和天鹅绒阴极强流发射特性的对比研究[J]. 蔡丹,刘列,巨金川,王海涛,赵雪龙,王潇. 物理学报. 2016(04)
[6]碳纤维表面原位SiC纳米纤维的合成与生长[J]. 代吉祥,张兆甫,王永昌,王首豪,沙建军. 无机化学学报. 2015(12)
[7]石墨材料的掺杂改性及其研究现状[J]. 华叶,万红,陈兴宇. 材料导报. 2015(05)
[8]气相渗硅制备C/SiC复合材料[J]. 严春雷,刘荣军,张长瑞,曹英斌,林栋,王静,于坤,周浩. 航空制造技术. 2014(06)
[9]相对论返波管振荡器齿状阴极[J]. 宋玮,霍少飞,史彦超,邓煜群,孙钧. 强激光与粒子束. 2012(04)
[10]天鹅绒与碳纳米管阴极强流脉冲发射特性[J]. 谌怡,夏连胜,张篁,杨安民,刘星光,廖庆亮. 强激光与粒子束. 2012(04)
博士论文
[1]结构场增强爆炸发射阴极研究[D]. 吴平.清华大学 2017
[2]熔盐介质中碳材料改性及微孔轻质材料制备的基础研究[D]. 丁军.武汉科技大学 2013
[3]碳纤维天鹅绒阴极及其应用研究[D]. 杨杰.国防科学技术大学 2013
[4]脉冲束流辐射热—力学效应研究[D]. 林鹏.中国科学技术大学 2007
硕士论文
[1]高功率微波源用TiC原位改性石墨收集极材料制备工艺及性能研究[D]. 胡厅.国防科技大学 2018
[2]介质掺杂石墨阴极的爆炸电子发射特性[D]. 华叶.国防科学技术大学 2014
[3]爆炸发射石墨阴极的制备与强流电子发射性能的研究[D]. 串俊兵.国防科学技术大学 2012
[4]脉冲电子束辐照多层介质的热—力学效应研究[D]. 陈华.国防科学技术大学 2008
[5]碳纤维阴极用于重复频率二极管的研究[D]. 徐启福.国防科学技术大学 2006
本文编号：3115250
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：215 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
一种典型HPM源的结构示意图[1]
国防科技大学研究生院博士学位论文第2页高功率微波的产生需要10kA量级的强流相对论电子束，电流密度一般超过1kA/cm2量级，因此HPM源中广泛使用强流发射能力较好的爆炸发射阴极[2,3]。1.1.1爆炸电子发射机理宏观上看，阴极表面是规则、平整的，但其微观上却存在许多不规则微结构。图1.2是阴极表面可能存在的各种不规则微结构的示意图[4]。对这些不规则微结构进行综合归纳后可以看出，阴极表面具有几何的微观不均匀性（微凸起、晶格边界微颗粒、孔洞、表面缺陷）和成分的微观不均匀性（夹杂介质、介质薄膜、吸附气体、油污等）[4]。几何和成分的微观不均匀性都会导致阴极表面电物理特性出现不均匀性，且阴极爆炸电子发射机理与其表面微结构密切相关。图1.2阴极表面不规则微结构的示意图[4]：（a）微凸起，（b）夹杂介质，（c）介质薄膜，（d）吸附气体，（e）晶格边界，（f）微颗粒，（g）油污，（h）微凸起破坏后孔洞，（i）表面缺陷传统的金属阴极场致爆炸发射理论认为，阴极表面的增强场致发射和加热导致的微点气化爆炸是阴极等离子体形成和强流电子束产生的主要机制。场致发射是电子强电场中穿过金属-真空边界位垒的隧道效应[4]。只有阴极表面实际电场强度大于电子穿过金属-真空边界位垒所需场强时，场致发射才可以发生。产生场致发射所需的电场强度E0如式（1.1）所示，me、、e分别为电子质量、普朗克常数和电子电荷。E0主要与材料功函数φ有关，材料功函数越低，则其产生场发射所需电场强度越校
国防科技大学研究生院博士学位论文第3页1320(2)eE=me（1.1）场发射电流密度由Fowler-Nordheim（F-N）公式决定[4]：()()232020ABexpEvyjtyE=（1.2）式中，j、E、φ分别指场发射电流密度、阴极表面实际电场强度、材料功函数，A和B为常数，()20ty≈1.1，()7021.44100.95Evy×=。对于场致爆炸发射阴极，当其与阳极形成二极管后，阴极表面实际电场强度E的表达式如式（1.3）所示：12dE=ββUd（1.3）式中，Ud为二极管电压，d为阴阳极间距，1β为二极管宏观场增强因子；2β为阴极表面发射微点处的微观场增强因子。宏观场增强因子主要由阴阳极几何形状和二极管结构来确定；而微观场增强因子的确定要依赖于发射微点类型。通常，阴极发射面上存在大量的微凸起，如图1.3所示，这些微凸起高度约为1μm，半高直径约为0.1μm[5]。经估算，微凸起的微观场增强因子可达100~1000[6]，微凸起的分布密度约为104个/cm2范围内[5]。因此，当阴极表面加载高电场时，微凸起处的微观场强将明显聚焦，其大小可增加至宏观场强的数百倍。图1.3金属表面微凸起场增强示意图[5]半导体的场致发射与纯金属没有本质上的区别，关于半导体场发射的理论研究仍然沿袭传统的F-N理论，但需要考虑外电场的渗透作用和表面态影响[7]。外电场透入深度与电子浓度的平方根成反比，对于金属，由于其电子浓度较大（1022个/cm3量级），电场透入深度小于一个原子层厚度，因此可以忽略不计；对于半导体，当电子浓度在1014~1018个/cm3范围内时，电场透入深度在纳米到亚微米的范围，即达到几十乃至几千个原子层的深度。此时，电场将透入半导体内部，并在
【参考文献】：
期刊论文
[1]导体表面圆角化过程中的电荷分布特性研究[J]. 王钰楠,仵杰. 工业控制计算机. 2017(04)
[2]表面微结构对碳化硅晶须掺杂石墨阴极爆炸电子发射性能的影响[J]. 华叶,万红,陈兴宇,吴平,白书欣. 物理学报. 2016(16)
[3]多孔材料有效导热系数的实验和模型研究[J]. 付文强,高辉,薛征欣,关卫军,韩飞,王兴东. 中国测试. 2016(05)
[4]电子能量对收集极中电子束能量沉积的影响[J]. 梁玉钦,邵浩,孙钧,霍少飞,白现臣,张晓微. 强激光与粒子束. 2016(03)
[5]碳纳米管和天鹅绒阴极强流发射特性的对比研究[J]. 蔡丹,刘列,巨金川,王海涛,赵雪龙,王潇. 物理学报. 2016(04)
[6]碳纤维表面原位SiC纳米纤维的合成与生长[J]. 代吉祥,张兆甫,王永昌,王首豪,沙建军. 无机化学学报. 2015(12)
[7]石墨材料的掺杂改性及其研究现状[J]. 华叶,万红,陈兴宇. 材料导报. 2015(05)
[8]气相渗硅制备C/SiC复合材料[J]. 严春雷,刘荣军,张长瑞,曹英斌,林栋,王静,于坤,周浩. 航空制造技术. 2014(06)
[9]相对论返波管振荡器齿状阴极[J]. 宋玮,霍少飞,史彦超,邓煜群,孙钧. 强激光与粒子束. 2012(04)
[10]天鹅绒与碳纳米管阴极强流脉冲发射特性[J]. 谌怡,夏连胜,张篁,杨安民,刘星光,廖庆亮. 强激光与粒子束. 2012(04)
博士论文
[1]结构场增强爆炸发射阴极研究[D]. 吴平.清华大学 2017
[2]熔盐介质中碳材料改性及微孔轻质材料制备的基础研究[D]. 丁军.武汉科技大学 2013
[3]碳纤维天鹅绒阴极及其应用研究[D]. 杨杰.国防科学技术大学 2013
[4]脉冲束流辐射热—力学效应研究[D]. 林鹏.中国科学技术大学 2007
硕士论文
[1]高功率微波源用TiC原位改性石墨收集极材料制备工艺及性能研究[D]. 胡厅.国防科技大学 2018
[2]介质掺杂石墨阴极的爆炸电子发射特性[D]. 华叶.国防科学技术大学 2014
[3]爆炸发射石墨阴极的制备与强流电子发射性能的研究[D]. 串俊兵.国防科学技术大学 2012
[4]脉冲电子束辐照多层介质的热—力学效应研究[D]. 陈华.国防科学技术大学 2008
[5]碳纤维阴极用于重复频率二极管的研究[D]. 徐启福.国防科学技术大学 2006
本文编号：3115250
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