陰極和收集極分別作為強(qiáng)流電子束起點(diǎn)和終點(diǎn),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(qiáng)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(diǎn),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(rèn)識仍然不夠清晰。同時(shí),高功率微波技術(shù)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(jìn)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(qiáng)流電子束的性能進(jìn)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(xué)氣相滲透法實(shí)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(yīng)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... 

【文章來源】：國防科技大學(xué)湖南省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

一種典型HPM源的結(jié)構(gòu)示意圖[1]

國防科技大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文第2頁高功率微波的產(chǎn)生需要10kA量級的強(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(gòu)。圖1.2是陰極表面可能存在的各種不規(guī)則微結(jié)構(gòu)的示意圖[4]。對這些不規(guī)則微結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dǎo)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(jī)理與其表面微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。圖1.2陰極表面不規(guī)則微結(jié)構(gòu)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(rèn)為，陰極表面的增強(qiáng)場致發(fā)射和加熱導(dǎo)致的微點(diǎn)氣化爆炸是陰極等離子體形成和強(qiáng)流電子束產(chǎn)生的主要機(jī)制。場致發(fā)射是電子強(qiáng)電場中穿過金屬-真空邊界位壘的隧道效應(yīng)[4]。只有陰極表面實(shí)際電場強(qiáng)度大于電子穿過金屬-真空邊界位壘所需場強(qiáng)時(shí)，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(qiáng)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(guān)，材料功函數(shù)越低，則其產(chǎn)生場發(fā)射所需電場強(qiáng)度越校

國防科技大學(xué)研究生院博士學(xué)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(shí)際電場強(qiáng)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(dāng)其與陽極形成二極管后，陰極表面實(shí)際電場強(qiáng)度E的表達(dá)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(qiáng)因子；2β為陰極表面發(fā)射微點(diǎn)處的微觀場增強(qiáng)因子。宏觀場增強(qiáng)因子主要由陰陽極幾何形狀和二極管結(jié)構(gòu)來確定；而微觀場增強(qiáng)因子的確定要依賴于發(fā)射微點(diǎn)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(qiáng)因子可達(dá)100~1000[6]，微凸起的分布密度約為104個(gè)/cm2范圍內(nèi)[5]。因此，當(dāng)陰極表面加載高電場時(shí)，微凸起處的微觀場強(qiáng)將明顯聚焦，其大小可增加至宏觀場強(qiáng)的數(shù)百倍。圖1.3金屬表面微凸起場增強(qiáng)示意圖[5]半導(dǎo)體的場致發(fā)射與純金屬沒有本質(zhì)上的區(qū)別，關(guān)于半導(dǎo)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(gè)/cm3量級），電場透入深度小于一個(gè)原子層厚度，因此可以忽略不計(jì)；對于半導(dǎo)體，當(dāng)電子濃度在1014~1018個(gè)/cm3范圍內(nèi)時(shí)，電場透入深度在納米到亞微米的范圍，即達(dá)到幾十乃至幾千個(gè)原子層的深度。此時(shí)，電場將透入半導(dǎo)體內(nèi)部，并在

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號：3115250