CN211150500U - 一种强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，包括管状的阴极座，阴极座上设置包含碳纳米管和纳米银的阴极发射部。采用本实用新型的一种强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，具有发射阈值较低、均匀和较长发射寿命的特点。

Description

一种强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极

技术领域

本实用新型涉及一种强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，属于相对论电真空器件技术领域。

背景技术

相对论电真空器件向高功率、高重复频率、小型化、长脉宽与长寿命方向发展。电子束为束、波互作用能量源头，在一定重复频率下须满足分布均匀、稳定与束密度至少大于1kA/cm2的要求。同时，要求阴极在高压脉冲电源的驱动下直接发射电子、具备足够多炮发射能力且发射阈值与等离子体膨胀速度不能太高。现阶段，常用金属冷阴极存在一些问题：

发射阈值高且发射不均匀。在高功率微波源研究中，金属阴极由于耐烧蚀，吸气率低，不污染真空，被广泛使用。在高电子束密度要求下，以场致爆炸发射机理发射电子。在电场增强场发射与热场发射综合作用下，电流密度增大进一步推动晶须局部温度升高，晶须尖端不断液化、爆炸并并产生新的晶须。电子发射过程即该过程得不断反复，所以一般金属阴极发射阈值较高且发射不均匀。

发射稳定性与寿命有待提高。金属阴极等离子体形成后期物理过程主要受晶须温度及液化表面电场张力决定，金属阴极表面晶须温度梯度由材料性能及晶须结构形式决定。旧晶须爆炸、新晶须生成造就了晶须微结构变化致使发射稳定性欠缺；晶须局部液化然后在电场张力作用下溅射致使阴极表面微结构消减，影响重复频率提高、降低发射寿命。

为了克服以上缺点，在金属内部人为添加一些特殊性能类晶须结构是很好尝试。目前，碳纳米管性能优异，符合强流重复频率阴极期望。其大比表面积，容易吸附气体分子，加之准一维结构特性致场发射开启电场较低，场发射电子发射伴随阴极表面轰击，吸附气体解吸、释放出来并迅速离化，从而加速等离子体形成；耐高温、中空结构可通过少量形变吸收部分应力并可自恢复，利于晶须结构性状维持，可长时间高重复频率运行。

发明内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，本实用新型具有发射阈值较低、均匀和较长发射寿命的特点。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，包括管状的阴极座，阴极座上设置由碳纳米管-纳米银制成的阴极发射部。

本实用新型中，金属阴极座能起到导电作用，阴极发射部由碳纳米管-纳米银制成，碳纳米管是天然晶须，金属银导热导电性能优异，从而使阴极发射部兼备了两种发射材料的优点。

在本实用新型中，碳纳米管-纳米银材料是由碳纳米管和纳米银制成的一种复合材料。

进一步的，所述阴极发射部为与阴极座匹配的阴极发射环。

进一步的，所述阴极发射部的厚度为0.5-1.5mm。

进一步的，所述阴极发射部的发射面为平整发射面。

发射面平整，所发射的电子束才会均匀稳定。

进一步的，所述碳纳米管为晶须状碳纳米管。

进一步的，所述阴极座为金属阴极座。

进一步的，所述阴极座的材质为Mu、Cu或不锈钢。

进一步的，所述发射部与阴极座之间设置连接层。通过一导电的连接层，使阴极座和阴极发射部连接起来，成为一整体；同时连接层导电才能通过施加电压使阴极发射部发射电子。

进一步的，所述阴极座和阴极发射部通过焊接形成连接层。

本实用新型的强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极与非增强型金属阴极相比：

1、晶须几何结构致使其表面电场增强，相比宏观电场，增强场发射影响阴极等离子体形成过程，碳纳米管一维特性致使几何增强系数大于一般晶须型等离子体爆炸阴极，场发射开启电场更低，碳纳米管大比表积致使其对氧、氮及其化合物具有较强吸附性，电场发射电子致该部分吸附物解吸附，从而等离子体形成速度更快，所以本实用新型发射阈值更低，电压、电子束流跟随性更好；

2、发射阈值越低、晶体组成颗粒越小，受电场屏蔽影响越小，发射点更多，则发射更均匀，另外碳纳米管温度特性优于大部分金属，等离子体并非全部分源自银，本发明阴极晶须结构更稳定，更耐烧蚀，即使一部分旧的表层碳管消耗殆尽，新的碳管随之显露在表层，后续等离子体不依赖于爆炸发射产生的新微结构，等离子体促发中心的随机性降低，所以本实用新型发射更稳定、均匀；

3、场发射在等离子体发射机制中仅起诱因作用，后期等离子体发展主要受热场发射决定，二极管电子束实由阴极表层等离子鞘层提供，碳纳米管不易液化、光滑界面特性、应力吸收与自恢复特性致使不易破碎，而且银及碳纳米管电导率、热导率高，利于阻尼热传导，而且其等离子体温度低，所以本实用新型发射寿命更长。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：与非增强型金属阴极相比，

1、本实用新型发射阈值低，电压、电子束流跟随性更好；

2、本实用新型发射稳定、均匀性好；

3、本实用新型发射寿命更长。

附图说明

图1是强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极的结构示意图；

图2是强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极的侧视图；

图3是强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极的另一结构示意图；

图4是强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极的另一侧视图；

图5是强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极试验的重叠波形图。

图中标记：1-阴极座、2-阴极发射部、3-连接层。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

本实施例的一种强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，包括管状的钼阴极座，阴极座上设置包含晶须状碳纳米管和纳米银的阴极发射环，阴极发射环的发射面平整，阴极发射环的厚度为1mm。

实施例2

本实施例的一种强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，包括管状的铜阴极座，阴极座上设置包含晶须状碳纳米管和纳米银的阴极发射环，阴极发射环的发射面平整，阴极发射环的厚度为1mm；阴极座与阴极发射环之间设置通过银焊剂焊接形成的连接层。

如图5所示，本实用新型的一种强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极在强流重频阴极电子发射试验研究中，脉冲源电压为800kV、宽度180ns，真空度为4.8*10^-3Pa，阴极形式为薄环，电子发射方式为轴向发射，一定二极管间距下，电子束流强度约为8.2kA、宽度约170ns、等效束流密度大于2kA/cm2,25Hz 下、10000炮内电子束流密度无衰减、发射稳定，电压、电流延迟时间为14ns，发射均匀。

阴极在1s内发射25个脉冲串的电压、电子束流波形的重叠，脉冲间的时间为40ms。图5中，上波形为电压波形，纵轴为260kV/div；下波形为电子束流波形，纵轴为5kA/div；横轴均为200ns/div，虚线表示电压、电子束流之间的延迟。

综上所述，采用本实用新型的一种强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极, 发射阈值低，电压、电子束流跟随性更好；发射稳定、均匀性好；发射寿命更长。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，其特征在于：包括管状的阴极座，阴极座上设置由碳纳米管-纳米银制成的阴极发射部。

2.如权利要求1所述的强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，其特征在于：所述阴极发射部为与阴极座匹配的阴极发射环。

3.如权利要求1所述的强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，其特征在于：所述阴极发射部的厚度为0.5-1.5mm。

4.如权利要求1所述的强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，其特征在于：所述阴极发射部的发射面为平整发射面。

5.如权利要求1所述的强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，其特征在于：所述碳纳米管-纳米银中，碳纳米管为晶须状碳纳米管。

6.如权利要求1所述的强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，其特征在于：所述阴极座为金属阴极座。

7.如权利要求6所述的强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，其特征在于：所述阴极座的材质为Mu、Cu或不锈钢。

8.如权利要求1所述的强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，其特征在于：所述发射部与阴极座之间设置连接层。

9.如权利要求1所述的强流重复频率碳纳米管增强银冷阴极，其特征在于：所述阴极座和阴极发射部通过焊接形成连接层。

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