氧化物阴极等离子体源实验研究

发布时间：2017-03-27 09:00

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【摘要】：1903年,一个偶然的机会,Wehnelt.A发现高温下当铂丝上粘有碱土金属氧化物时,发射电流大大增加,这就是氧化物阴极的起点。因氧化物阴极具有工作温度低,发射电流大,工作稳定且寿命长等优点,自上世纪40年代开始在国防通讯领域得到普遍应用,国外70年代开始将氧化物阴极用于产生等离子体,而国内目前还没有装置应用大面积氧化物阴极放电或从事相关研究。LMP装置设计完成了国内唯一的大面积旁热式氧化物阴极等体源,当其工作在6500C～1000℃C时,能获得较大的发射电流(3～lOA/cm2),且发射均匀、稳定、无噪声、可变范围大,能在较弱的磁场下产生较高的密度(1010～1013/cm3),是研究磁场重联和其他等离子体物理的一个理想等离子体源。首先,本文给出了阴极主要部件的详细设计参数和材料性质,整套设备在1000℃C高温下能长时间稳定工作,实现了工程指标。每个部件都经过精心设计,使整套设备安装空间尽可能小,这样就保证了阴极在线性磁化装置上的顺利安装,并通过模拟等手段,保证了加热效率最大化。其次,作者通过摸索和实验研究,完成了发射浆的配制、碾磨、基金属的处理、阴极的喷涂、激活和意外处理等一整套工艺流程,并实现了氧化物阴极大电流稳定放电。通过不同放电位形比较,寻找氧化物阴极最佳放电位形,并通过改变阴极温度、气压、放电电压、轴向磁场、放电脉宽、放电频率等,了解氧化物阴极发射性质,并对氧化物阴极放电常见现象进行解释。在氧化物阴极脉冲放电条件下,通过离子声波的朗道阻尼估算出了氧化物阴极放电离子温度约0.25eVo氧化物阴极放电还可以实现阴极阳极间距2m,使等离子体携带几百安培电流来满足不同用途放电需要,如此时就可以激发静电离子回旋不稳定性(EICI)和阿尔芬波等。最后,通过改变粉末发射材料配方,加入一些还原或催化物质,来制造新型氧化物阴极。经过研究发现当加入5%～8%的Sc203后可以将阴极的发射能力提高2～3倍,这是氧化物阴极等离子体源第一次通过这么简单的方法将阴极发射能力提高到与六硼化镧相当。新阴极对其它材料和温度没有特殊要求,这使我们的氧化物阴极成为长脉宽放电(lms)发射能力最强的等离子体源。
【关键词】：直线磁化等离子体装置 氧化物阴极 高电离率等离子体 脉冲放电 高密度等体源 Langmuir探针 离子声波 朗道阻尼 静电离子回旋不稳定性
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O462;O53
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-18
• 第一章 氧化物阴极研究背景18-34
• 1.1 氧化物阴极的历史18-22
• 1.1.1 氧化物阴极的发现与应用18-19
• 1.1.2 盈余钡的研究19-20
• 1.1.3 氧化物阴极的发展与应用20-22
• 1.2 几种常见的热阴极22-28
• 1.2.1 钍钨阴极22-24
• 1.2.2 硼化物阴极24-26
• 1.2.3 氧化钍阴极和稀土氧化物阴极26-27
• 1.2.4 储备式阴极27-28
• 1.3 高密度热阴极在等离子体实验上的应用28-34
• 1.3.1 氧化物阴极电子枪28
• 1.3.2 氧化物阴极灯丝源28-30
• 1.3.3 大面积氧化物阴极30-31
• 1.3.4 氧化物阴极离子源31
• 1.3.5 大面积六硼化镧等离子源31-34
• 第二章 实验装置及诊断方法34-60
• 2.1 线性磁化等离子体装置34-40
• 2.1.1 装置结构34-35
• 2.1.2 真空系统35-37
• 2.1.3 充气系统37-38
• 2.1.4 磁场及电源系统38-39
• 2.1.5 循环水冷系统39-40
• 2.2 探针系统40-41
• 2.2.1 一维探针系统40
• 2.2.2. 维探针系统40-41
• 2.3 意外报警系统41-42
• 2.4 数据自动采集系统42
• 2.5 现有等离子体源42-45
• 2.5.1 灯丝源42-43
• 2.5.2 Helicon源43-45
• 2.6 诊断工具45-60
• 2.6.1 单探针原理46-48
• 2.6.2 双探针48-50
• 2.6.3 三探针50-52
• 2.6.4 极向探针阵列52-53
• 2.6.5 发射探针53-55
• 2.6.6 马赫探针55-57
• 2.6.7 罗科夫斯基线圈57-60
• 第三章 氧化物阴极设计与制造工艺60-92
• 3.1 氧化物阴极源设计背景60-62
• 3.2 线性磁化装置氧化物阴极源设计62-72
• 3.2.1 阴极及其附件设计62-64
• 3.2.2 热源的设计64-66
• 3.2.3 阳极材料的选择与设计66-67
• 3.2.4 热源周围热量反射系统67-70
• 3.2.5 支撑底座的设计70-71
• 3.2.6 电路连接71-72
• 3.2.7 氧化物阴极水冷设计72
• 3.3 基金属的选择与处理72-76
• 3.3.1 基金属的选择72-74
• 3.3.2 基金属的处理74-76
• 3.4 发射浆的制备76-79
• 3.4.1 发射材料的选择76-77
• 3.4.2 发射浆的配制77-78
• 3.4.3 发射浆的碾磨78-79
• 3.5 阴极的喷涂79-81
• 3.6 热源的制作81-82
• 3.7 氧化物阴极的激活82-85
• 3.7.1 热激活82-84
• 3.7.2 电激活84-85
• 3.8 阴极温度的测量85-86
• 3.9 氧化物阴极放电脉冲源设计86-90
• 3.9.1 设计要求86-87
• 3.9.2 电源设计87-89
• 3.9.3 放电测试89-90
• 3.10 废料的处理90-92
• 第四章 线性磁化装置氧化物阴极放电92-130
• 4.1 氧化物阴极发射模型92-93
• 4.2 氧化物阴极放电模式93-102
• 4.2.1 氧化物阴极脉冲放电93-99
• 4.2.2 氧化物阴极直流放电99-102
• 4.3 发射能力与控制条件102-109
• 4.3.1 放电电流与阴极温度的关系102-103
• 4.3.2 放电电流与放电电压的关系103-105
• 4.3.3 放电电流与中性气压的关系105-106
• 4.3.4 放电电流与磁场的关系106-108
• 4.3.5 放电电流与放电频率的关系.108-109
• 4.4 氧化物阴极脉冲放电常见现象109-115
• 4.4.1 放电与衰减109-111
• 4.4.2 火花现象111-113
• 4.4.3 氧化物阴极中毒113-115
• 4.5 阴极阳极大距离放电115-118
• 4.5.1 轴向电流与磁场的关系116-117
• 4.5.2 轴向电流与气压的关系117
• 4.5.3 轴向电流与放电电压的关系117-118
• 4.5.4 大距离放电的应用118
• 4.6 离子声波朗道阻尼估算离子温度118-123
• 4.7 氧化物阴极放电的优点123-128
• 4.7.1 均匀123-124
• 4.7.2 稳定124-125
• 4.7.3 高密度、高电离率125
• 4.7.4 低碰撞125-126
• 4.7.5 长寿命126
• 4.7.6 低成本126-127
• 4.7.7 无噪声127
• 4.7.8 参数可调范围大127
• 4.7.9 可大尺度存在127-128
• 4.7.10 易诊断128
• 4.8 本章小结128-130
• 第五章 新型氧化物阴极探索130-134
• 5.1 含钪型氧化物阴极130-132
• 5.2 含镍、钨型氧化物阴极132-134
• 第六章 总结和展望134-136
• 附录A 常见金属电阻率及其温度系数136-138
• 附录B 元素周期表138-140
• 参考文献140-148
• 致谢148

【相似文献】

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1 孙大明;;一种抗毒性能强的新型氧化物阴极研究报告[J];安徽大学学报(自然科学版);1979年01期

2 宋辉，杨名恪;过氧化物阴极的研究[J];光学精密工程;1995年04期

3 聂世琦,姚宗熙,王

本文编号：270137