發(fā)布時間：2020-06-20 08:25

【摘要】：高功率微波源相對論返波管現(xiàn)用的石墨陰極存在發(fā)射電流低、材料放氣等問題,為滿足高功率微波系統(tǒng)對電子束質量的要求,通過微波等離子體化學氣相沉積(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition,MPCVD)法,在異形石墨陰極表面涂覆氮摻雜超納米金剛石薄膜(Ultra-nano Crystalline Diamond,UNCD),對原始石墨陰極進行改性處理。首先,在平面硅基體上探索以液態(tài)二乙胺和氫氣作為反應氣源,探索各生長因素對制備的薄膜的微觀形貌和成分的影響規(guī)律,并分析了其電學性能和電子發(fā)射性能。然后將平面基底制備工藝參考運用到異形石墨陰極,并將反應氣源更換為三乙胺和甲醇的混合溶液和氬氣,在預先涂覆一層鎢過渡石墨陰極表面制備摻氮UNCD薄膜,形成石墨-鎢-金剛石復合陰極,最后系統(tǒng)分析改性石墨陰極的強流脈沖發(fā)射性能。研究結果表明:(1)在平面硅基體制備摻氮UNCD薄膜時,液態(tài)源通入量、薄膜沉積壓力及生長溫度均會使薄膜的微觀形貌和成分發(fā)生變化,其中生長溫度是影響薄膜的微觀形貌和組成的主要因素。(2)采用FESEM、Raman、XRD對不同生長溫度下制備的薄膜進行了系統(tǒng)的表征,并采用常溫霍爾效應測試和直流場發(fā)射測試分析其電學性能和電子發(fā)射性能。隨著生長溫度的增加,薄膜的微觀形貌從極細小的顆粒狀向垂直于基底的石墨烯片與金剛石顆粒復合體轉變,同時薄膜晶界處不利于導電的TPA相及無定形碳隨著基體生長溫度的增加轉變成導電性能較好的sp~(2-)C相,相應地薄膜的電導率從17Ω~(-1)·cm~(-1)增加至760Ω~(-1)·cm~(-1)。直流場發(fā)射測試結果發(fā)現(xiàn),當基體生長溫度從730℃升高至830℃時,在9.9 V/μm的電場強度下,電流密度由0.2 mA/3潂2增大至1.6 mA/3潂2。(3)通過在石墨陰極表面預沉積鎢過渡層,再在不同沉積時間、微波功率、生長溫度條件下制備了摻氮超納米金剛石涂層的石墨-鎢-金剛石復合陰極,與原始石墨陰極的強流脈沖電子發(fā)射性能對照測試結果表明:優(yōu)化工藝條件下獲得的復合陰極的電子發(fā)射性能和放氣性都得到了明顯的改善;同時,復合陰極的強流脈沖性能隨工藝條件不同發(fā)生改變,生長功率為1800 W,基體溫度在790℃,生長時間為2 h的改性石墨陰極的強流脈沖性能最佳,其束流密度為29.06 kA/cm~2,較原始石墨陰極提升了25%,放氣率最大可以降低62.5%。通過在石墨陰極表面涂覆摻氮UNCD薄膜有效提升了現(xiàn)用的石墨陰極發(fā)射電流并改善了石墨陰極的放氣性,為高功率相對論返波管尋找新的陰極材料提供了新的研究思路。
【學位授予單位】：西南科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB33;O646.541
【圖文】：

1-1（a）H2和 CH4混合氣的相圖；（b）原子氫濃度對碳氫化合物相的影a）Thermal equilibrium phase diagram of H2and CH4mixture;（b）atomicconcentration effect on hydrocarbons phase1-1（a）可知，當溫度高于 1500K 的區(qū)域，C2H2基團濃度會趨的濃度會隨溫度的增長而持續(xù)增加。在 MPCVD 系統(tǒng)中，等約在 2500-3000K。因此，在等離子體集中區(qū)域物相以 C2H2基的溫度下（約生長基底的表面溫度），這種平衡顯的尤為重要心區(qū)域及其周圍到基體表面附近，溫度變化從 2500-3000K 降中的趨勢變化完美地解釋了發(fā)生在等離子體中的成分變化。這金剛石的生長，存在的濃度梯度是含碳基團到達生長表面的驅子體中原子氫的存在，將會影響各種碳氫化合物活性基團的含區(qū)域原子氫與碳氫化合物基團的反應將會朝降低原子氫的方向

經過設備的改進與技術的創(chuàng)新研備金剛石薄膜的技術，微波等離子體化學氣電，離化率高、電子活性大；2）微波放電可產生高密度的等離子體。其中包括高密度高速率的生長金剛石薄膜；3）腔體設計精可沉積均勻優(yōu)質的薄膜；4）微波放電電壓控性高，相對而言操作簡單；5）微波放電反應容器器壁接觸，有利于沉積制備高質量是制備高質量薄膜較為理想的技術。本課題中摻氮 UNCD 薄膜的沉積制MPCVD 裝置上完成。圖 2.1 為裝置實物圖生器、波導系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)、控容器等組成。

【參考文獻】

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本文編號：2722146