[发明专利]一种圆片阵列阴极

说明书

技术领域

本发明涉及一种阴极，尤其是一种圆片阵列阴极，属于高功率微波技术领域中的微波源领域。

背景技术

磁绝缘线振荡器(Magnetically Insulated Transmission Line Oscillator，MILO)是一种重要的高功率微波源，是当前国内外高功率微波源研究的热点之一。阴极是MILO的重要组成部分，良好的阴极设计是MILO获得高性能的前提。传统MILO一般采用化纤天鹅绒阴极，由于化纤天鹅绒阴极不耐高温烧蚀，故其运行寿命较短。这是制约MILO长寿命运行的最主要问题。

传统的紧凑型MILO阴极由阴极座、锥形段、侧向阴极、轴向阴极和天鹅绒组成(文献1：樊玉伟等，改进型磁绝缘线振荡器的实验研究，等离子体科学，2007,Vol.35(4):1075.Y.W.FAN,et al,Experimental investigation of an improved MILO，IEEE Trans.Plasma Sci.,2007,Vol.35(4):1075)，如图1所示。图1为传统的紧凑型MILO阴极剖视图，在图1中，1是阴极座、2是锥形段、3是侧向阴极、4是轴向阴极，5是天鹅绒。其中天鹅绒为化纤材料，其余为不锈钢材料。为了叙述的方便，下文规定：阴极座1所在的一端为左端，轴向阴极4所在的一端为右端。其结构与装配关系是：阴极座1为圆柱状，右端留有螺孔；锥形段2左端为圆筒状，外径与阴极座1外径相等。锥形段2左端带有螺纹，旋入阴极座1右端的螺孔中。锥形段2右端为半径渐增的锥形筒结构，其最右端的内外半径与侧向阴极3的内外半径分别相等。侧向阴极3为空心圆筒，锥形段2与侧向阴极3进行一体化加工形成一个整体。侧向阴极3右端留有螺孔。轴向阴极4右侧为圆盘状，左侧带有螺纹，旋入侧向阴极3右端的螺孔中。在侧向阴极3与轴向阴极4的外表面粘贴天鹅绒5作为阴极发射材料。

使用中，阴极置于真空室中，与阳极之间存在高电压。在高电压作用下，天鹅绒纤维的尖端会产生阴极等离子体，进而产生相对论电子束，形成大电流。阴极等离子体温度通常高达1000摄氏度以上，如此高的温度会导致化纤天鹅绒纤维的尖端因烧蚀而弯曲。弯曲的天鹅绒纤维又导致其发射电子束的均匀性和发射能力的下降，进而导致微波源技术性能的下降。由此可见，化纤材料天鹅绒的一个重要缺点就是耐烧蚀性能差(文献2：Yu-Wei Fan,et al,Repetition rate operation of an improved magnetically insulated transmission line oscillator；Physics of Plasmas,2008,Vol.15(8):083102)。图2所示是化纤天鹅绒纤维在工作前的电子扫描显微镜图片，图3所示是化纤天鹅绒纤维在工作200个脉冲之后的电子扫描显微镜图片，可以看出工作之后化纤天鹅绒纤维由于烧蚀变得弯曲，而且均匀性也变差了。

化纤天鹅绒阴极的优点是绒毛均匀性好，因此发射电流均匀，缺点是耐高温烧蚀性差，而碳纤维、玻璃纤维的耐高温烧蚀性能好，但是目前对碳纤维、玻璃纤维的植绒技术还不成熟，还不能植出达到化纤天鹅绒均匀性的碳纤维天鹅绒或者玻璃纤维天鹅绒。因此设计一种新型阴极结构，选用耐高温烧蚀性能好的阴极材料，使之兼具耐高温烧蚀性好和均匀性好的优点，使阴极具有长寿命且发射的电子束流均匀，提高MILO的工作效率并延长MILO的运行寿命，对于推进高功率微波系统的工程应用进程，拓展MILO的应用领域具有广阔的应用前景和重要的科研价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：设计一种圆片阵列阴极，提高阴极材料的耐烧蚀性能，延长MILO的使用寿命。

本发明采用的技术方案是：

与传统阴极相比，圆片阵列阴极采用金属圆片与介质圆片交替排列的方式代替传统阴极中的天鹅绒。其中，金属圆片起到结构支撑和电流传导的作用，介质圆片主要是在强电场(数百kV/cm)作用下产生阴极等离子体，进而产生相对论电子束。所采用的介质片一般为碳纤维布或玻璃纤维布，或者其它发射阈值低且耐高温烧蚀的材料。由于所用介质片比传统阴极中的化纤天鹅绒更耐高温烧蚀，故阴极运行寿命更长。采用这种高温烧蚀的长寿命圆片阵列阴极可大大提高MILO的运行寿命。

采用本发明可以达到以下技术效果：

(1)本发明可以提高阴极的耐高温烧蚀性，提高阴极的寿命至数万个脉冲。相比传统阴极来说，阴极寿命可提高两个数量级，从而大大延长MILO的工作寿命；