陰極和收集極分別作為強流電子束起點和終點,對高功率微波源的性能具有重要影響。石墨是較好的爆炸發(fā)射陰極和強流電子束收集極材料,但其仍存在易釋氣、易造成系統(tǒng)碳污染等缺點,從而影響了石墨陰極和收集極在高功率微波源中的性能。目前,從材料角度改善石墨陰極和收集極性能的研究很少,對陰極表面材料成分和微觀形影響其爆炸電子發(fā)射過程及性能的研究較少,對這一問題的認識仍然不夠清晰。同時,高功率微波技術的發(fā)展對石墨陰極和收集極的性能和使用壽命提出了更高的要求。本文選擇用SiC、TiC和TaC三種不同成分的碳化物對石墨陰極進行表面改性,且通過控制改性工藝得到不同微觀形貌的碳化物改性石墨陰極,研究碳化物改性石墨陰極表面材料成分及微觀形貌對陰極爆炸發(fā)射性能的影響規(guī)律,為石墨基介質(zhì)改性陰極的發(fā)展提供參考。此外,對TiC和TaC改性石墨材料收集強流電子束的性能進行研究,為提高收集極性能和拓展收集極材料提供參考。采用化學氣相滲透法實現(xiàn)了不同形貌SiC改性石墨材料的可控制備。研究表明,調(diào)整CO氣體濃度（或分壓）可控制SiC晶體在石墨基體表面生長形態(tài),調(diào)整反應溫度可控制SiC晶須長短、疏密和SiC顆粒大小。降低系統(tǒng)總壓,或... 

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【學位級別】：博士

【部分圖文】：

一種典型HPM源的結(jié)構示意圖[1]

國防科技大學研究生院博士學位論文第2頁高功率微波的產(chǎn)生需要10kA量級的強流相對論電子束，電流密度一般超過1kA/cm2量級，因此HPM源中廣泛使用強流發(fā)射能力較好的爆炸發(fā)射陰極[2,3]。1.1.1爆炸電子發(fā)射機理宏觀上看，陰極表面是規(guī)則、平整的，但其微觀上卻存在許多不規(guī)則微結(jié)構。圖1.2是陰極表面可能存在的各種不規(guī)則微結(jié)構的示意圖[4]。對這些不規(guī)則微結(jié)構進行綜合歸納后可以看出，陰極表面具有幾何的微觀不均勻性（微凸起、晶格邊界微顆粒、孔洞、表面缺陷）和成分的微觀不均勻性（夾雜介質(zhì)、介質(zhì)薄膜、吸附氣體、油污等）[4]。幾何和成分的微觀不均勻性都會導致陰極表面電物理特性出現(xiàn)不均勻性，且陰極爆炸電子發(fā)射機理與其表面微結(jié)構密切相關。圖1.2陰極表面不規(guī)則微結(jié)構的示意圖[4]：（a）微凸起，（b）夾雜介質(zhì)，（c）介質(zhì)薄膜，（d）吸附氣體，（e）晶格邊界，（f）微顆粒，（g）油污，（h）微凸起破壞后孔洞，（i）表面缺陷傳統(tǒng)的金屬陰極場致爆炸發(fā)射理論認為，陰極表面的增強場致發(fā)射和加熱導致的微點氣化爆炸是陰極等離子體形成和強流電子束產(chǎn)生的主要機制。場致發(fā)射是電子強電場中穿過金屬-真空邊界位壘的隧道效應[4]。只有陰極表面實際電場強度大于電子穿過金屬-真空邊界位壘所需場強時，場致發(fā)射才可以發(fā)生。產(chǎn)生場致發(fā)射所需的電場強度E0如式（1.1）所示，me、、e分別為電子質(zhì)量、普朗克常數(shù)和電子電荷。E0主要與材料功函數(shù)φ有關，材料功函數(shù)越低，則其產(chǎn)生場發(fā)射所需電場強度越校

國防科技大學研究生院博士學位論文第3頁1320(2)eE=me（1.1）場發(fā)射電流密度由Fowler-Nordheim（F-N）公式?jīng)Q定[4]：()()232020ABexpEvyjtyE=（1.2）式中，j、E、φ分別指場發(fā)射電流密度、陰極表面實際電場強度、材料功函數(shù)，A和B為常數(shù)，()20ty≈1.1，()7021.44100.95Evy×=。對于場致爆炸發(fā)射陰極，當其與陽極形成二極管后，陰極表面實際電場強度E的表達式如式（1.3）所示：12dE=ββUd（1.3）式中，Ud為二極管電壓，d為陰陽極間距，1β為二極管宏觀場增強因子；2β為陰極表面發(fā)射微點處的微觀場增強因子。宏觀場增強因子主要由陰陽極幾何形狀和二極管結(jié)構來確定；而微觀場增強因子的確定要依賴于發(fā)射微點類型。通常，陰極發(fā)射面上存在大量的微凸起，如圖1.3所示，這些微凸起高度約為1μm，半高直徑約為0.1μm[5]。經(jīng)估算，微凸起的微觀場增強因子可達100~1000[6]，微凸起的分布密度約為104個/cm2范圍內(nèi)[5]。因此，當陰極表面加載高電場時，微凸起處的微觀場強將明顯聚焦，其大小可增加至宏觀場強的數(shù)百倍。圖1.3金屬表面微凸起場增強示意圖[5]半導體的場致發(fā)射與純金屬沒有本質(zhì)上的區(qū)別，關于半導體場發(fā)射的理論研究仍然沿襲傳統(tǒng)的F-N理論，但需要考慮外電場的滲透作用和表面態(tài)影響[7]。外電場透入深度與電子濃度的平方根成反比，對于金屬，由于其電子濃度較大（1022個/cm3量級），電場透入深度小于一個原子層厚度，因此可以忽略不計；對于半導體，當電子濃度在1014~1018個/cm3范圍內(nèi)時，電場透入深度在納米到亞微米的范圍，即達到幾十乃至幾千個原子層的深度。此時，電場將透入半導體內(nèi)部，并在

【參考文獻】：
期刊論文
[1]導體表面圓角化過程中的電荷分布特性研究[J]. 王鈺楠,仵杰.  工業(yè)控制計算機. 2017(04)
[2]表面微結(jié)構對碳化硅晶須摻雜石墨陰極爆炸電子發(fā)射性能的影響[J]. 華葉,萬紅,陳興宇,吳平,白書欣.  物理學報. 2016(16)
[3]多孔材料有效導熱系數(shù)的實驗和模型研究[J]. 付文強,高輝,薛征欣,關衛(wèi)軍,韓飛,王興東.  中國測試. 2016(05)
[4]電子能量對收集極中電子束能量沉積的影響[J]. 梁玉欽,邵浩,孫鈞,霍少飛,白現(xiàn)臣,張曉微.  強激光與粒子束. 2016(03)
[5]碳納米管和天鵝絨陰極強流發(fā)射特性的對比研究[J]. 蔡丹,劉列,巨金川,王海濤,趙雪龍,王瀟.  物理學報. 2016(04)
[6]碳纖維表面原位SiC納米纖維的合成與生長[J]. 代吉祥,張兆甫,王永昌,王首豪,沙建軍.  無機化學學報. 2015(12)
[7]石墨材料的摻雜改性及其研究現(xiàn)狀[J]. 華葉,萬紅,陳興宇.  材料導報. 2015(05)
[8]氣相滲硅制備C/SiC復合材料[J]. 嚴春雷,劉榮軍,張長瑞,曹英斌,林棟,王靜,于坤,周浩.  航空制造技術. 2014(06)
[9]相對論返波管振蕩器齒狀陰極[J]. 宋瑋,霍少飛,史彥超,鄧煜群,孫鈞.  強激光與粒子束. 2012(04)
[10]天鵝絨與碳納米管陰極強流脈沖發(fā)射特性[J]. 諶怡,夏連勝,張篁,楊安民,劉星光,廖慶亮.  強激光與粒子束. 2012(04)

博士論文
[1]結(jié)構場增強爆炸發(fā)射陰極研究[D]. 吳平.清華大學 2017
[2]熔鹽介質(zhì)中碳材料改性及微孔輕質(zhì)材料制備的基礎研究[D]. 丁軍.武漢科技大學 2013
[3]碳纖維天鵝絨陰極及其應用研究[D]. 楊杰.國防科學技術大學 2013
[4]脈沖束流輻射熱—力學效應研究[D]. 林鵬.中國科學技術大學 2007

碩士論文
[1]高功率微波源用TiC原位改性石墨收集極材料制備工藝及性能研究[D]. 胡廳.國防科技大學 2018
[2]介質(zhì)摻雜石墨陰極的爆炸電子發(fā)射特性[D]. 華葉.國防科學技術大學 2014
[3]爆炸發(fā)射石墨陰極的制備與強流電子發(fā)射性能的研究[D]. 串俊兵.國防科學技術大學 2012
[4]脈沖電子束輻照多層介質(zhì)的熱—力學效應研究[D]. 陳華.國防科學技術大學 2008
[5]碳纖維陰極用于重復頻率二極管的研究[D]. 徐啟福.國防科學技術大學 2006



本文編號：3115250