等离子体中热阴极鞘层的结构

结合热阴极电子发射理论和等离子体鞘层流体方程研究了热阴极附近存在虚阴极结构时的等离子体鞘层问题,采用Sagdeev势的方法讨论了鞘层解和广义Bohm判据.结果表明,不同于普通的Bohm鞘,由于热阴极附近存在大量发射电子,影响整个等离子体鞘层结构,使得进入鞘层的离子临界Mach数不是独立的常数,而是与鞘层电位降等参数有关的物理量.临界Mach数随着鞘层电位降（从鞘边缘到虚阴极）先增大后降低,并且随着热阴极温度的升高单调增大.此外,在平板模型下有相当可观的残余热发射电子越过虚阴极鞘层进入等离子体. 关键词： 鞘层 热阴极发射 Bohm判据     

热阴极径向温度非均匀性对本征发射度的影响

从热发射理论出发,推导了非均匀发射阴极的均方根本征发射度的一般计算形式。针对一种最常见的温度径向分布近似模型,给出了均方根发射度随温度非均匀性变化趋势的理论数值解。基于有限差分法粒子仿真技术统计了热阴极的本征发射度,仿真结果与理论解一致,验证了非均匀发射热阴极本征均方根发射度一般形式的正确性。结果表明,径向温度非均匀性引起均方根发射度显著变化,非均匀系数为10%时引起均方根发射度下降约15%。本文建立的理论形式和仿真方法可以有效评估束流品质控制目标和工程热设计之间的依赖关系,以指导高效费比的工程设计。     

一种高功率返波管理论

对一种热阴极高功率返波管进行了理论研究,其具有寿命长稳定性好的特点。采用的热阴极发射电流密度为20 A/cm2,发射面积为100 cm2,发射总电流为2 kA。首先对该热阴极单阳极电子枪进行仿真研究,在确保不打火的情况下获得电子枪优化设计参数,再对整管进行粒子模拟研究,仿真结果表明,在工作频率为10.5 GHz时,该热阴极返波管的输出功率可以达到290 MW,换能效率为29%。     

端窗透射微型X光管的结构优化

为了得到场约束方式下,金属陶瓷封装端窗透射微型X光管发射电流的最大化和焦斑尺寸的最小化,对热阴极发射体的几何结构进行仿真计算,为设计实物模型提供技术方案。首先,从理论上推导了直热式阴极发射体、发射电流密度与几何结构的关系,其次讨论了有限积分算法在求解电场分布数值解过程中的离散化思路,最后利用CST粒子工作室软件,建立了几何模型,对阴极发射体的几何结构进行了优化。在灯丝距离控制极0.4 mm、控制极开孔直径为0.6 mm的位置,能够得到较小的焦斑和较高的电荷密度分布。试制的阴极发射体最大发射电流可达85 A。     

单晶LaB_6热阴极稳定性研究

介绍了用于１＋１／２射频腔中的ＬａＢ＿６热阴极电子枪的结构，通过分析电子枪阴极的热平衡关系和高温、强射频场条件下的阴极电流发射情况，给出了ＬａＢ＿６热阴极电子枪的热平衡和发射电流的关系曲线，并对阴极稳定性问题进行了仔细研究。     

分流器形式炮口消弧装置的电路模拟优化与试验

针对轨道炮电枢出炮口时拉弧问题,提出了一种基于分流器形式的炮口电弧抑制方案。以固体电枢为研究对象,采用Simulink软件根据发射器与消弧装置的电气参数建立含有炮口消弧装置的发射系统仿真模型,目的是通过对消弧装置电气参数不同阻抗值的仿真计算,实现消弧装置电气参数与发射系统电气参数的最佳匹配,达到降低消弧支路对电枢出炮口速度的影响,同时有效地抑制炮口电弧。由于与消弧装置串联的电枢前方轨道阻抗在消弧支路阻抗中占比很大,通过消弧装置阻抗电阻、电感优化调整,实现电枢在膛内运动起始阶段,消弧支路的阻抗远大于电枢支路的阻抗,发射电流大部分都流过电枢,保证了电枢的加速运动。随着电枢向炮口方向运行,消弧支路阻抗快速减小,同时在磁通压缩作用下,消弧支路中电流快速增加,电枢支路电流减小,但由于电枢前后方磁场对其都是推进作用,电枢出炮口速度基本不受影响,保持较高的系统效率;电枢出炮口后,消弧支路的阻抗小于电弧的阻抗值,建立合理的电弧快速消引条件,消弧支路电流远大于电枢上电流,发射系统的剩余能量可通过消弧装置释放,降低炮口拉弧对发射性能的影响。经过消弧装置的电阻和电感多参数值的计算与分析,最后确定与文中发射系统匹配的消弧装置电阻约为1 mΩ,电感约为0.1 μH。结合发射装置结构,设计出的消弧装置电阻为1.32 mΩ,电感为0.124 μH,在搭建的发射系统仿真模型中对其进行了充电电压3 kV等级的发射仿真计算,在充电电压3 kV的发射能量等级下进行了消弧发射试验,仿真结果与试验结果具有较好的一致性,消弧效果良好。     

关于热电子发射理论的评述(Ⅲ)——动态表面发射中心

本文提出能解释热阴极中各种现象的动态表面发射中心模型。电子发射来源于一个原子集团。在这原子集团中,当运动着的电子具有瞬时的最高能量,或集团的原子核吸引力达到最小时,便产生电子发射。超额钡是提供高能电子的根源。氧则按其在集团中的相对数量和相对位置而分别起有益或有害的作用。虽然锶、钙、铝酸盐、钨酸盐等对发射只起次要的作用,但它们对蒸发、徙动、传递电子等却有影响。实用热阴极的发射不均匀性证明发射中心的存在,而发射的不稳定性,例如闪变噪声,显示出发射中心的动态特性。     

利用光学薄膜模型研究垂直腔面发射激光器的光学特性

可以把垂直腔面发射激光器看作是多层光学薄膜,应用光学薄膜原理对其光学薄膜的特性进行了研究。计算分析了布拉格反射镜和谐振腔模的反射谱受器件结构变化的影响。通过利用菲涅耳系数矩阵法计算,得到了光在垂直腔面发射激光器器件结构中形成的驻波场分布。结果表明,利用菲涅耳系数矩阵法设计垂直腔面发射激光器的光学薄膜是一种快捷准确的方法。     

X波段盘圈加速结构热阴极微波电子枪的研究

介绍了采用盘圈(DAW)加速结构在11.43GHz下研制的热阴极微波电子枪注入器，分析了注入器中DAW加速结构支撑杆对于微波特性的影响以及加速结构中的模式重叠问题. 针对该结构的强腔间耦合以及次临近耦合不能忽略的特点，对其调谐方法进行了分析研究.给出了该长腔链热阴极微波电子枪注入器的物理设计及粒子动力学计算结果，电子能量为5—6MeV，脉冲流强为40mA，电子束发射度为3.4πmm.mrad. 该微波电子枪的加工焊接已经完成，文中给出了其冷测结果.     

AlInGaAs垂直谐振腔顶面发射半导体激光器横向温度效应的解析热模型及其表征

依据增益导波垂直谐振腔顶面发射半导体激光器热区特点与室温连续波运行条件建立了一个优化的全解析热模型，对AlInGaAs/AlGaAs垂直谐振腔激光器的横向温度效应进行了详细的解析计算分析，其完全的解析表达展示了更加清晰的横向热场物理图像，对于器件内部热场变化规律的理论预期与实验结果完全符合. 该解析模型及其结果对于研究热稳态下的垂直谐振腔激光器热动力学特性，优化器件结构和控制激光器的阈值电流与功率温度饱和效应，特别是二维面阵器件中的横向热叠加效应提供了一个有用的工具. 关键词： 半导体面发射激光器 热效应 解析计算模型.     

吉瓦级强流相对论多注电子束二极管的优化设计与实验研究

多注相对论速调管放大器可在较高的工作频段实现GW级功率微波产生,在很多领域得到了发展和应用.多注相对论速调管中强流相对论多注电子束相互之间存在空间电磁场的作用,使得多注电子束从二极管引入多注漂移管,以及在多注漂移管中的传输运动受到影响,导致电子束会轰击到管壁上,早期实验中多注电子束的传输通过率较低.本文对功率数GW的强流相对论多注电子束在二极管与多注漂移管中的运动过程进行了理论分析与粒子仿真模拟,得到强流相对论多注电子束的传输运动规律.对多注二极管的结构进行了优化设计,仿真设计实现强流相对论多注电子束的传输通过率达到99%,并且开展了验证实验研究,实验在电子束电压为801 kV,电流为9.3 kA的情况下,电子束的传输通过率达到92%.     

12MeV直线感应加速器二极管优化设计研究

 本文用MAGIC程序对设计的多种12MV直线感应加速器的二极管结构进行模拟计算,得出了二极管阴极表面电场强度分布,并根据实验研究结果,得到了结构最佳设计的二极管模型;随后利用扫描电镜方法对不同天鹅绒的结构进行了分析与发射性能实验研究。最后得到优化后的二极管产生的电子束束流参数为发射束流I_e=8.50kA,传输束流I₈=3.0kA ,打靶束流I₀=2.30kA。     

Improved Computer Program for Magnetron Injection Gun Design

Gyrotron has received extensive attention owing to its high-power capability, especially when the wavelength shrinks below the millimeter-wave range. The electron beam of a gyrotron is typically generated by a magnetron injection gun (MIG). For high cathode current density, the MIG may operate in a region that combines temperature limited and space-charge limited emissions. An improved computer program for electron gun design is appropriate for MIGs that operate between space-charge limited and temperature limited emission. Moreover, the initial input formation of the program resembles that of the EGUN code. Analysis of a Pierce electron gun and MIGs reveals that the stimulated beam current appears consistent with the measured results. However, EGUN simulation results in which the cathode emitters of MIGs are chosen for the temperature limited emission differ from those of our simulation results. This difference is most likely owing to that the initial emitting energy can not be completely described in the EGUN simulation. Finally, the improved computer program is used to design a MIG for a Ka-band, TE₀₁ mode gyro-TWT.     

行波管电子枪数值模拟设计的判定

 提出了采用数值软件模拟法进行行波管电子枪设计时对电子注质量好坏的判断准则：电子枪应具有更好的阴极表面电子发射密度均匀性、电子注层流性、注腰位置附近电子注径向密度分布均匀性及某百分比电子注包络曲线的光滑性等。利用编写的软件对某行波管电子枪进行数值模拟设计时,不断调整电子枪的结构,应用以上设计准则,通过对电子注质量进行判定和比较,得到了相对更符合设计要求的电子枪结构。     

Low-impedance plasma systems for generation of high-current low-energy electron beams

The results of experimental investigation and numerical modeling of the generation of low-energy (tens of keV) high-current (up to tens of kA) electron beams in a low-impedance system consisting of a plasma-filled diode with a long plasma anode, an auxiliary hot cathode, and an explosive emission cathode. The low-current low-voltage beam from the auxiliary cathode in an external longitudinal magnetic field is used to produce a long plasma anode, which is simultaneously the channel of beam transportation by residual gas ionization. The high-current electron beam is formed from the explosive emission cathode placed in the preliminarily formed plasma. Numerical modeling is performed using the KARAT PIC code.     

基于碳纳米管场发射三电极显示器的设计和实验

提出了一种基于碳纳米管场发射三电极大面积全彩色平板显示器模型,其特点是栅极和阴极在同一个平面上,驱动电压低,而电子传输比可以高达29.3%(达到阳极的电子与从阴极碳管上发射出来的电子之比),实验结果和理论模拟的结果符合得很好.阴极和栅极之间的沟槽可以用激光打标机刻蚀形成,用做阴极发射体的碳纳米管浆料用水浴法形成,显示器制作工艺简单.     

采用组合引导磁场的多注二极管设计

分析了采用单一同轴磁场时强流相对论多注阴极的侧端发射问题,研究了在不同磁场内半径和多注漂移管长度情况下多注电子束的传输效率。研究发现:由于引导磁场尺寸有限,高压下多注阴极杆及多注阴极柱的电子束发射是影响多注电子束传输效率的主要因素,且该部分电子束对多注漂移管入口管壁的轰击直接影响了多注速调管的重频能力。设计了采用永磁铁和同轴磁场组合工作的强流相对论多注二极管,理论分析和模拟计算证明:基于组合磁场的多注二极管可明显减弱甚至抑制多注阴极发射球头以外的电子束发射,并且组合磁场的磁场位形和强度可满足强流相对论多注电子束的高效、稳定传输。     

碳纳米管阴极的短脉冲爆炸场发射与等离子体膨胀

采用碳纳米管制备了一种强流电子束发射阴极,并对碳纳米管阴极在双脉冲条件下的强流发射性能进行了研究.在双脉冲条件下获得了245 A/cm²的强发射电流密度,阴极的开启时间约为40 ns.采用高速分幅相机和CCD相机对强流电子束在空间和时间的分布进行了研究.研究表明连续脉冲实验时,离子体及其膨胀对发射电子束的强度和分布影响很大,双脉冲时脉冲间隔时间内等离子体的膨胀速率约为8.17 cm/μs.等离子体形成时没有优先位置,电子束发射的局部增强位置是随机的.结果表明碳纳米管阴极可以作为强流阴 关键词： 碳纳米管 爆炸场发射 等离子体膨胀 强流电子束     

深紫外激光光发射与热发射电子显微镜在热扩散阴极研究中的应用

对热扩散阴极表面微区发射状态进行原位观察和分析一直是热阴极研究的重要课题.本文着重介绍深紫外激光光发射电子/热发射电子显微镜的基本原理及其在热扩散阴极研究中的典型实例.系统配备了高温激活所用的加热装置,样品可被加热至1400℃.系统具有光发射电子、阴极热发射电子、光发射电子和阴极热发射电子联合三种电子成像模式.应用表明,对于热扩散阴极而言,深紫外激光光发射电子像适于呈现阴极表面的微观结构形貌;热发射电子像适于反映阴极表面的本征热电子发射及均匀性;光电子和热电子联合成像适于对阴极表面的有效发射点做出精确定位.     

碳纳米管阴极强流脉冲发射特性实验

 在2 MeV直线感应加速器注入器平台上研究了采用浸渍涂覆方法制备的大面积碳纳米管阴极发射体的强流发射特性。研究结果表明：在脉冲高压电场下,碳纳米管阴极具有强流电子束发射能力,发射电流密度较大;碳纳米管阴极发射电子过程为场致等离子体发射。实验过程中,阴极端取样电阻环收集到的最大发射电流达350 A,阳极端法拉第筒收集的发射电流为167 A,最大阴极发射电流密度为19.4 A/cm²。