TiO2/鳞片石墨复合大面积阴极爆炸电子发射性能初步实验研究
2023-10-20胡继军陈庭旭李天明
石 俊,胡继军,杨 柳,付 浩,蔡 杰,陈庭旭†,李天明
(1. 北京遥测技术研究所,北京 100076;2. 电子科技大学 电子科学与工程学院;3. 电子科技大学 物理学院: 成都 610054 )
高功率微波源(high power microwave source,HPMS)在国防、军事、能量传输及等离子体加热等领域拥有广泛的应用前景[1]。HPMS通常由爆炸电子发射阴极产生的强流相对论电子束驱动,阴极是HPMS的核心组件,具有重要的研究价值,特别是阴极材料[2]。阴极按材料分类有纯金属阴极、石墨阴极、天鹅绒阴极及碳纤维阴极等。与天鹅绒和纯金属阴极相比,石墨阴极寿命更长,等离子体漂移速度更低;与碳纤维阴极相比,石墨阴极制备方式更简单[3-8];石墨阴极具有良好的导电导热性能及低的释气率,是高功率微波源中最主要的爆炸电子发射阴极材料之一[9-12]。然而,发射阈值高、发射均匀性差及等离子体漂移速度等问题一直限制着石墨阴极在高功率微波源中的发展[13-14]。
由于石墨基体原材料的差异会导致石墨阴极具有不同的性能,石墨基体材料选择是石墨阴极研究的关键。串俊兵[12]研究了鳞片石墨、炭黑石墨和石油焦石墨的爆炸发射性能,结果表明:在385 kV的加速器电压下,鳞片石墨的电流密度是其他2种石墨的1.2倍以上。Fursey等[15]研究表明,鳞片石墨比常规石墨材料的发射阈值更低,并利用量子尺寸效应引起的共振隧穿模型解释了该现象。随后,周帆等[16]发现了鳞片石墨有低发射延时和高发射电流的优势,并指出鳞片石墨的优势与其表面微结构密切相关。华叶等[17]延续了上述研究,对POCO石墨和鳞片石墨的研究表明,鳞片石墨具有更高的石墨化程度(96%)及更低的发射阈值。这些研究表明,与其他石墨相比,鳞片石墨在低阈值和发射电流方面具有优势,因此本文选用鳞片石墨作为石墨阴极基体材料。
为进一步提升石墨阴极的性能,引入介质是一种有效的手段[18-19]。在石墨中引入介质后,由于介质-石墨三相点的场增强作用及强场引起介质表面态密度变化和介质-石墨-真空能级弯曲效应,使得场发射首先发生在介质微粒附近,并能有效降低发射阈值[20]。Liu等[21]制备了浸油石墨阴极,有效提高了石墨阴极的寿命。张永辉等[22]制备的石墨碳纤维复合阴极提升了石墨阴极的寿命。靳振兴等[23]制备的铜掺杂石墨阴极在微波脉宽方面优于纯石墨阴极。袁稳,李海宁等[24-25]制备的超纳米金刚石涂敷石墨阴极有效提高了石墨阴极的发射电流并降低了表面损伤。华叶[14,26]制备的碳化硅晶须掺杂石墨阴极有效降低了石墨阴极的发射阈值并提升了发射均匀度。TiO2具有较低的功函数,也是一种良好的阴极材料[27],以TiO2作为掺杂剂能够提升阴极性能。Krasil等[28]的研究表明,TiO2掺杂不锈钢阴极显著降低了等离子体形成的时间。2021年,Li等[29]通过冷大气压等离子体射流涂敷的方法对碳纤维表面进行TiO2涂敷,有效降低了碳纤维的发射阈值和等离子体漂移速度,并增大了发射电流。受此启发,本文使用鳞片石墨为基底材料,通过固相混合的方式,制备了不同ω(TiO2)的TiO2/鳞片石墨复合阴极,并进行热测试。结果表明,该复合阴极可降低发射阈值和降低等离子体膨胀速度,本文旨在为进一步提升石墨阴极性能提供一种新的方案。
1 复合阴极的制备及热测试实验
复合阴极制备成型工艺流程如图1所示。该复合阴极的制备主要有5个步骤:(1)分别称量等质量的600 目鳞片石墨粉6份,按照复合材料中ω(TiO2)分别为15%,20%,35%,50%,75%称量颗粒直径为1 μm的TiO2粉末5组;(2)将石墨粉末与TiO2粉末分别放入鼓风干燥机中,在200 °C下干燥2 h;(3)将上述鳞片石墨粉中的5份依次与5组TiO2粉末混合,将一组石墨粉末与5组混合粉末分别放入不锈钢球磨罐,再放入与粉末质量相同的不锈钢研磨球,使用行星球磨机以400 rad·min-1对混合粉料进行研磨,研磨时长为4 h;(4)取球磨均匀后的粉末8 g放入直径为30 mm的不锈钢模压模具中,使用DJYP-60TS液压机采用梯度加压的方法加工出复合阴极胚体,具体方法为:在压强为50,100,150,200 MPa下,分别保压5,5,5,20 min;(5)将加工成型的阴极胚体放入钻孔模具中,对胚体进行中心定位钻孔,钻孔直径为6 mm。
图1 复合阴极制备成型工艺流程Fig.1 Preparation and molding process of composite cathode
钻孔后的纯石墨阴极及各ω(TiO2)的TiO2/鳞片石墨复合阴极如图2所示。由图2可见,纯石墨阴极呈黑色,随着ω(TiO2)的增加,复合阴极逐渐变白亮,表明TiO2的引入改变了阴极表面的颜色。
图2 钻孔后的纯石墨阴极及各ω(TiO2)梯度的TiO2/鳞片石墨复合阴极Fig.2 Graphite and graphite composite cathode after drilling
图3为同轴二极管实物图。将加工好的阴极装入同轴二极管中,使用IFP-L20-0001加速器,真空室的工作气压设为9×10-3Pa,充电时间为29 ms。电流信号通过电阻环测量,电压信号通过分压电容器测量。电流电压信号波形通过传输线经衰减器后,由DSO-X 2024A示波器读取,将示波器设置为下降沿触发模式。
图3 同轴二极管实物图Fig.3 Coaxial diode
2 实验结果讨论
不同ω(TiO2)梯度的TiO2/鳞片石墨复合阴极的典型I-V特性曲线,如图4所示。由图4可见:电压波形均可分为3个阶段:-20~20 ns为电压过冲阶段,20~60 ns为电压持续阶段,60~80 ns为电压下降沿阶段;在电压过冲阶段,ω(TiO2)为35%,75%的复合阴极峰值电压为(404±2) kV,其他复合阴极峰值电压为(428±2) kV。
(b) ω(TiO2)=15%
(c) ω(TiO2)=20%
(d) ω(TiO2)=35%
(e) ω(TiO2)=50%
通常具有低发射阈值的阴极,发射延时较低。本文基于图4所示测试结果,以电压上升沿半高点与电流上升沿半高点之间的时间差值为标准,计算了实验中不同ω(TiO2)的阴极发射延时,如图5所示。由图5可见,纯石墨阴极的发射延时为(6.5±1) ns,ω(TiO2)为20%,35%,50%的复合阴极发射延时低于纯石墨阴极,其中,ω(TiO2)为35%的复合阴极发射延时比纯石墨阴极降低1 ns以上;ω(TiO2)为15%的复合阴极发射延时和纯石墨阴极基本相同。
当掺杂介质ω(TiO2)较低时,初始的爆炸发射微点数量较少,因此复合阴极对石墨阴极的提升并不明显。当掺杂介质质量分数较高时,可能由于等离子体产生到覆盖阴极表面的时间较长,使复合阴极对于阴极阈值的提升并不明显。对于大面积爆炸发射阴极,场致发射过程开始后,等离子体存在径向和轴向的漂移,并最终覆盖阴极表面实现均匀发射。通常等离子体成分为氢离子,来源于阴极表面吸附的水或有机物等[30];引入TiO2这类高Z值的材料后,等离子体膨胀速度降低使等离子体径向和轴向漂移速度同时降低,阴极发射面的全覆盖过程减缓,最终导致到达电流幅值的时间变长。
图5 不同ω(TiO2)的阴极发射延时Fig.5 Different ω(TiO2) cathodes emission delay
为获取不同ω(TiO2)对复合阴极等离子体漂移速度的影响,本文使用非相对论同轴二极管的空间电荷电流模型[31],近似计算等离子体径向漂移速度,表示为
(1)
B=x-0.4x2+0.091 67x3-0.014 24x4+…
(2)
(3)
其中:ε0为真空介电常数;e为电子带电量;m为电子质量;ra为阳极半径;rc为阴极半径;L为阴极厚度;V为电压;I为电流;vp为等离子体径向漂移速度。
式(3)按麦克劳林公式展开,在近似计算中仅取第一项,计算相对偏差小于5%。采用归一化坐标的阴极等离子体径向漂移速度计算结果,如图6所示。由图6可见:(1)在电压过冲阶段的 -20 ns~0,复合阴极的等离子体径向漂移速度远高于纯石墨阴极,在该阶段,由于TiO2的引入降低了发射阈值,爆炸发射开始较早,产生了大量的发射微点,表明复合阴极可能有利于提升石墨阴极的发射均匀性;(2)在电压过冲阶段的0~20 ns,随着阴极表面逐渐被等离子体覆盖,计算得到的复合阴极的等离子体径向漂移速度降低;(3)在电压持续阶段的20~30 ns,ω(TiO2)为20%,75%的复合阴极等离子体径向漂移速度远小于纯石墨阴极,与纯石墨阴极相比,ω(TiO2)为20%的复合阴极等离子体径向漂移速度降低20%以上,ω(TiO2)为75%的复合阴极等离子体径向漂移速度降低30%以上,其他复合阴极的漂移速度与纯石墨阴极相差小于10%;(4)在电压持续阶段的30~60 ns, 所有复合阴极的等离子体径向漂移速度均小于纯石墨阴极,其中, 与纯石墨阴极相比,ω(TiO2)为20%,75%的复合阴极等离子体径向漂移速度降低大于30%。通过计算分析可得,TiO2的掺杂能够有效抑制石墨阴极的等离子体径向漂移。
图6 归一化等离子体径向漂移速度Fig.6 Normalized plasma expansion velocity
3 结论
本文通过梯度模压等工艺制备了不同ω(TiO2)的TiO2/鳞片石墨复合阴极,并对复合阴极进行了同轴二极管热测试。测试结果表明,ω(TiO2)为20%,35%,50%的复合阴极发射延时降低。等离子体径向漂移速度的计算结果表明,在发射的初始阶段,复合阴极表面产生大量发射微点,可能有利于提升石墨阴极的发射均匀性。在电压持续阶段,各质量分数TiO2的掺杂均有效的降低了石墨阴极的等离子体径向漂移速度。其中,与纯石墨阴极相比,ω(TiO2)为20%的复合阴极在整个电压持续阶段,等离子体径向漂移速度降低大于20%。