关于碳纳米管阴极强流脉冲发射性能分析

燕志刚

摘 要 我国的经济社会不断发展，科学技术水平不断提升。在物理化学工业中，碳纳米管的应用非常普遍。为了提高碳纳米管的综合性能，需要对碳纳米管的阴极进行制作。就目前来看，碳纳米管阴极的制作方法有两种，制作方法不同，其强流脉冲发射性能也不尽相同。本文将具体探讨碳纳米管阴极的强流脉冲发射性能，希望能为相关人士提供一些参考。

关键词 碳纳米管；阴极；强流脉冲发射性能

中图分类号 O4 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）15-0007-01

进入新世纪以来，我国的社会主义市场经济持续繁荣，物理化学工业也进入了快速发展阶段。在物理化学产品制造过程中，经常需要配备碳纳米管阴极，碳纳米管阴极的脉冲电流越大，产品生产效率越高。我国的碳纳米管阴极材料比较多，将不同材料混合在一起，会产生差异性的阴极离子体。为了得到稳定的脉冲电流，必须对碳纳米管阴极的强流脉冲发射性能进行分析。

1 理论基础

为了对碳纳米管阴极的强流脉冲发射性能进行分析，需要以物理化学知识作为理论基础。以电力学原理为例，在电场作用下，碳纳米管的阴极会发射较强电流，电流大小不一，最大电流可以达到MA级别[1]。由于碳纳米管阴极具有良好的物理化学特性，其被广泛应用在电流汇聚、强流辐照等领域。想要发挥碳纳米管阴极的强流脉冲发射性能，必须组合不同的制作原料，如天鹅绒、纤维等等。不同制作材料会产生化学反应，使碳纳米管阴极呈现出较强光束。阴极的光束不断膨胀，离子体会朝着阳极的方向运动，二者的距离会逐渐缩短。一般来说，阳极和阴极的间距越大，电场越不稳定，光束的品质越差。阳极和阴极的间距越小，电场越平稳，光束的品质越好。传统的碳纳米管阴极配备材料存在一定问题，对碳纳米管的综合性能产生不利影响。随着时代的不断发展，碳纳米管阴极配备材料日益增多，在很大程度上保证了碳纳米管阴极的强流质量。碳纳米管阴极不仅适用于物理化学工业，还适用于武器制造领域、航空领域等等。

2 实验概述

2.1 实验流程

探讨碳纳米管阴极的强流脉冲发射性能，需要进行对比实验。就目前来看，碳纳米管阴极的配备方法有两种：第一种是印刷方法，第二种是涂敷方法，两种阴极配备方法不同，强流脉冲发射性能也呈现出一定差异。在采用印刷方法和涂敷方法配备碳纳米管阴极时，需要应用纤维素、碳纳米管、化学试剂等材料，而且必须严格控制不同材料的比重。为了加速材料融合，可以采用乙醇等材料，形成碳纳米管的化学浆料。在保证浆料均匀之后，可以将材料印刷在基片上。基片的厚度需要控制在5cm左右，并保持表面干燥。为了收获更好的实验效果，实验人员需要对样品进行质检，并将合格之后的样品放在火炉中进行烧结。当温度达到800℃，实验人员需要延长烧结时间。在1个小时之后，实验人员可以冷却火炉，得到最终的碳纳米管阴极，并将其放在试验台上，检验其强流脉冲发射性能。经过实验，可以发现依靠印刷方法和涂敷方法配备而成的碳纳米管阴极具有较好的强流脉冲发射性能，其发射面呈圆球状。

碳纳米管阴极的脉冲功率和发射性能密切相关，一般来说，碳纳米管阴极的脉冲功率越大，发射性能越好；碳纳米管阴极的脉冲功率越小，发射性能越差。经过测试，碳纳米管阴极脉冲宽度为100ns，碳纳米管阴极和阳极的空间距离为100mm，连续脉冲的间隔为2min[2]。在进行反复实验之后，发现阴极的离子体发生变化。离子体在强流作用下会呈现出交叉分布的状态，一些离子体附着在阴极的表面，一些离子体与阴极平行。采用印刷方法的离子体最大高度为400nm左右，而采用涂敷方法的离子体最大高度为1μm左右；采用印刷方法配备的碳纳米管阴极和阳极间距为200nm左右，而采用涂敷方法配备的碳纳米管阴极和阳极间距为500nm左右。

2.2 实验结果

对上述的实验现象进行分析，可以发现碳纳米管阴极配备方法不同，离子体的分布也不尽相同。实验人员需要应用扫描电镜，对阴极上的离子体结构进行分析，如图1所示。碳纳米管的半径为15nm，采用印刷方法配备的碳纳米管阴极厚度为600nm，而采用涂敷方法配备的碳纳米管阴极厚度为1μm。根据上述的实验数值，可以计算不同碳纳米管阴极的密度。无论是印刷方法配备的碳纳米管阴极，还是涂敷方法配备的碳纳米管阴极，其密度都低于DAVYDOV的研究值，因此两种方法都适用于强电场。值得注意的是，两种方法存在一定缺陷。以印刷方法为例，印刷方法存在管壁缺陷，会影响碳纳米管阴极强电流的稳定性。以涂敷方法为例，涂敷方法存在密度缺陷，会影响碳纳米管阴极强电流的发射量。

在脉冲电流相同情况下，对两种碳纳米管阴极进行测试，可以发现不同阴极对强电场的反应不同。在实验初期，印刷方法配备的碳纳米管阴极会出现大范围的波动，发射电流呈流线变化趋势。与之相对，涂敷方法配备的碳纳米管阴极波动幅度比较小，发射的电流非常稳定。在一段时间之后，印刷方法配备的碳纳米管阴极发射电流逐渐平稳，脉冲值基本保持不变。与之相对，涂敷方法配备的碳纳米管阴极发射电流逐渐失衡，脉冲值发生剧烈变化[3]。经过实验对比，可以得出以下几个。第一，印刷方法配备的碳纳米管阴极和涂敷方法配备的碳纳米管阴极都有相似的波形特点，而且二者波形具有相对性特征。第二，碳纳米管阴极的电子束和脉冲电流密切相关，脉冲电流越大，电子束越强。第三，碳纳米管阴极在发射电流的过程中，会和基片相互摩擦，加大电路电阻，阻碍离子体的重构。

3 结论

综上所述，我国的经济社会不断发展，科学技术水平不断提升。在物理化學工业中，碳纳米管的应用非常普遍。就目前来看，碳纳米管阴极的配备方法有两种：第一种是印刷方法，第二种是涂敷方法，阴极配备方法不同，强流脉冲发射性能也不尽相同。我国的碳纳米管阴极材料比较多，将不同材料混合在一起，会产生差异性的阴极离子体。为了得到稳定的脉冲电流，必须对碳纳米管阴极的强流脉冲发射性能进行分析。

参考文献

[1]江彬礼.碳纳米管冷阴极三级结构电子枪的仿真设计与测试[C]//.2016真空电子学分会第二十届学术年会论文集（下），2016：5.

[2]袁学松，张宇，孙利民，等.碳纳米管冷阴极脉冲发射特性及仿真模型研究[J].物理学报，2012（21）：345-351.

[3]谌怡，张篁，杨安民，等.碳纳米管阴极强流脉冲发射放气特性研究[J].物理学报，2012（7）：103-109.endprint