石 俊,胡繼軍,楊 柳,付 浩,蔡 杰,陳庭旭?,李天明

(1. 北京遙測(cè)技術(shù)研究所,北京 100076;2. 電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院;3. 電子科技大學(xué) 物理學(xué)院: 成都 610054 )

高功率微波源(high power microwave source,HPMS)在國(guó)防、軍事、能量傳輸及等離子體加熱等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景[1]。HPMS通常由爆炸電子發(fā)射陰極產(chǎn)生的強(qiáng)流相對(duì)論電子束驅(qū)動(dòng),陰極是HPMS的核心組件,具有重要的研究?jī)r(jià)值,特別是陰極材料[2]。陰極按材料分類有純金屬陰極、石墨陰極、天鵝絨陰極及碳纖維陰極等。與天鵝絨和純金屬陰極相比,石墨陰極壽命更長(zhǎng),等離子體漂移速度更低;與碳纖維陰極相比,石墨陰極制備方式更簡(jiǎn)單[3-8];石墨陰極具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能及低的釋氣率,是高功率微波源中最主要的爆炸電子發(fā)射陰極材料之一[9-12]。然而,發(fā)射閾值高、發(fā)射均勻性差及等離子體漂移速度等問題一直限制著石墨陰極在高功率微波源中的發(fā)展[13-14]。

由于石墨基體原材料的差異會(huì)導(dǎo)致石墨陰極具有不同的性能,石墨基體材料選擇是石墨陰極研究的關(guān)鍵。串俊兵[12]研究了鱗片石墨、炭黑石墨和石油焦石墨的爆炸發(fā)射性能,結(jié)果表明:在385 kV的加速器電壓下,鱗片石墨的電流密度是其他2種石墨的1.2倍以上。Fursey等[15]研究表明,鱗片石墨比常規(guī)石墨材料的發(fā)射閾值更低,并利用量子尺寸效應(yīng)引起的共振隧穿模型解釋了該現(xiàn)象。隨后,周帆等[16]發(fā)現(xiàn)了鱗片石墨有低發(fā)射延時(shí)和高發(fā)射電流的優(yōu)勢(shì),并指出鱗片石墨的優(yōu)勢(shì)與其表面微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。華葉等[17]延續(xù)了上述研究,對(duì)POCO石墨和鱗片石墨的研究表明,鱗片石墨具有更高的石墨化程度(96%)及更低的發(fā)射閾值。這些研究表明,與其他石墨相比,鱗片石墨在低閾值和發(fā)射電流方面具有優(yōu)勢(shì),因此本文選用鱗片石墨作為石墨陰極基體材料。

為進(jìn)一步提升石墨陰極的性能,引入介質(zhì)是一種有效的手段[18-19]。在石墨中引入介質(zhì)后,由于介質(zhì)-石墨三相點(diǎn)的場(chǎng)增強(qiáng)作用及強(qiáng)場(chǎng)引起介質(zhì)表面態(tài)密度變化和介質(zhì)-石墨-真空能級(jí)彎曲效應(yīng),使得場(chǎng)發(fā)射首先發(fā)生在介質(zhì)微粒附近,并能有效降低發(fā)射閾值[20]。Liu等[21]制備了浸油石墨陰極,有效提高了石墨陰極的壽命。張永輝等[22]制備的石墨碳纖維復(fù)合陰極提升了石墨陰極的壽命。靳振興等[23]制備的銅摻雜石墨陰極在微波脈寬方面優(yōu)于純石墨陰極。袁穩(wěn),李海寧等[24-25]制備的超納米金剛石涂敷石墨陰極有效提高了石墨陰極的發(fā)射電流并降低了表面損傷。華葉[14,26]制備的碳化硅晶須摻雜石墨陰極有效降低了石墨陰極的發(fā)射閾值并提升了發(fā)射均勻度。TiO2具有較低的功函數(shù),也是一種良好的陰極材料[27],以TiO2作為摻雜劑能夠提升陰極性能。Krasil等[28]的研究表明,TiO2摻雜不銹鋼陰極顯著降低了等離子體形成的時(shí)間。2021年,Li等[29]通過冷大氣壓等離子體射流涂敷的方法對(duì)碳纖維表面進(jìn)行TiO2涂敷,有效降低了碳纖維的發(fā)射閾值和等離子體漂移速度,并增大了發(fā)射電流。受此啟發(fā),本文使用鱗片石墨為基底材料,通過固相混合的方式,制備了不同ω(TiO2)的TiO2/鱗片石墨復(fù)合陰極,并進(jìn)行熱測(cè)試。結(jié)果表明,該復(fù)合陰極可降低發(fā)射閾值和降低等離子體膨脹速度,本文旨在為進(jìn)一步提升石墨陰極性能提供一種新的方案。

1 復(fù)合陰極的制備及熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)

復(fù)合陰極制備成型工藝流程如圖1所示。該復(fù)合陰極的制備主要有5個(gè)步驟:(1)分別稱量等質(zhì)量的600 目鱗片石墨粉6份,按照復(fù)合材料中ω(TiO2)分別為15%,20%,35%,50%,75%稱量顆粒直徑為1 μm的TiO2粉末5組;(2)將石墨粉末與TiO2粉末分別放入鼓風(fēng)干燥機(jī)中,在200 °C下干燥2 h;(3)將上述鱗片石墨粉中的5份依次與5組TiO2粉末混合,將一組石墨粉末與5組混合粉末分別放入不銹鋼球磨罐,再放入與粉末質(zhì)量相同的不銹鋼研磨球,使用行星球磨機(jī)以400 rad·min-1對(duì)混合粉料進(jìn)行研磨,研磨時(shí)長(zhǎng)為4 h;(4)取球磨均勻后的粉末8 g放入直徑為30 mm的不銹鋼模壓模具中,使用DJYP-60TS液壓機(jī)采用梯度加壓的方法加工出復(fù)合陰極胚體,具體方法為:在壓強(qiáng)為50,100,150,200 MPa下,分別保壓5,5,5,20 min;(5)將加工成型的陰極胚體放入鉆孔模具中,對(duì)胚體進(jìn)行中心定位鉆孔,鉆孔直徑為6 mm。

圖1 復(fù)合陰極制備成型工藝流程Fig.1 Preparation and molding process of composite cathode

鉆孔后的純石墨陰極及各ω(TiO2)的TiO2/鱗片石墨復(fù)合陰極如圖2所示。由圖2可見,純石墨陰極呈黑色,隨著ω(TiO2)的增加,復(fù)合陰極逐漸變白亮,表明TiO2的引入改變了陰極表面的顏色。

圖2 鉆孔后的純石墨陰極及各ω(TiO2)梯度的TiO2/鱗片石墨復(fù)合陰極Fig.2 Graphite and graphite composite cathode after drilling

圖3為同軸二極管實(shí)物圖。將加工好的陰極裝入同軸二極管中,使用IFP-L20-0001加速器,真空室的工作氣壓設(shè)為9×10-3Pa,充電時(shí)間為29 ms。電流信號(hào)通過電阻環(huán)測(cè)量,電壓信號(hào)通過分壓電容器測(cè)量。電流電壓信號(hào)波形通過傳輸線經(jīng)衰減器后,由DSO-X 2024A示波器讀取,將示波器設(shè)置為下降沿觸發(fā)模式。

圖3 同軸二極管實(shí)物圖Fig.3 Coaxial diode

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

不同ω(TiO2)梯度的TiO2/鱗片石墨復(fù)合陰極的典型I-V特性曲線,如圖4所示。由圖4可見:電壓波形均可分為3個(gè)階段:-20～20 ns為電壓過沖階段,20～60 ns為電壓持續(xù)階段,60～80 ns為電壓下降沿階段;在電壓過沖階段,ω(TiO2)為35%,75%的復(fù)合陰極峰值電壓為(404±2) kV,其他復(fù)合陰極峰值電壓為(428±2) kV。

(b) ω(TiO2)=15%

(c) ω(TiO2)=20%

(d) ω(TiO2)=35%

(e) ω(TiO2)=50%

通常具有低發(fā)射閾值的陰極,發(fā)射延時(shí)較低。本文基于圖4所示測(cè)試結(jié)果,以電壓上升沿半高點(diǎn)與電流上升沿半高點(diǎn)之間的時(shí)間差值為標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算了實(shí)驗(yàn)中不同ω(TiO2)的陰極發(fā)射延時(shí),如圖5所示。由圖5可見,純石墨陰極的發(fā)射延時(shí)為(6.5±1) ns,ω(TiO2)為20%,35%,50%的復(fù)合陰極發(fā)射延時(shí)低于純石墨陰極,其中,ω(TiO2)為35%的復(fù)合陰極發(fā)射延時(shí)比純石墨陰極降低1 ns以上;ω(TiO2)為15%的復(fù)合陰極發(fā)射延時(shí)和純石墨陰極基本相同。

當(dāng)摻雜介質(zhì)ω(TiO2)較低時(shí),初始的爆炸發(fā)射微點(diǎn)數(shù)量較少,因此復(fù)合陰極對(duì)石墨陰極的提升并不明顯。當(dāng)摻雜介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí),可能由于等離子體產(chǎn)生到覆蓋陰極表面的時(shí)間較長(zhǎng),使復(fù)合陰極對(duì)于陰極閾值的提升并不明顯。對(duì)于大面積爆炸發(fā)射陰極,場(chǎng)致發(fā)射過程開始后,等離子體存在徑向和軸向的漂移,并最終覆蓋陰極表面實(shí)現(xiàn)均勻發(fā)射。通常等離子體成分為氫離子,來(lái)源于陰極表面吸附的水或有機(jī)物等[30];引入TiO2這類高Z值的材料后,等離子體膨脹速度降低使等離子體徑向和軸向漂移速度同時(shí)降低,陰極發(fā)射面的全覆蓋過程減緩,最終導(dǎo)致到達(dá)電流幅值的時(shí)間變長(zhǎng)。

圖5 不同ω(TiO2)的陰極發(fā)射延時(shí)Fig.5 Different ω(TiO2) cathodes emission delay

為獲取不同ω(TiO2)對(duì)復(fù)合陰極等離子體漂移速度的影響,本文使用非相對(duì)論同軸二極管的空間電荷電流模型[31],近似計(jì)算等離子體徑向漂移速度,表示為

(1)

B=x-0.4x2+0.091 67x3-0.014 24x4+…

(2)

(3)

其中:ε0為真空介電常數(shù);e為電子帶電量;m為電子質(zhì)量;ra為陽(yáng)極半徑;rc為陰極半徑;L為陰極厚度;V為電壓;I為電流;vp為等離子體徑向漂移速度。

式(3)按麥克勞林公式展開,在近似計(jì)算中僅取第一項(xiàng),計(jì)算相對(duì)偏差小于5%。采用歸一化坐標(biāo)的陰極等離子體徑向漂移速度計(jì)算結(jié)果,如圖6所示。由圖6可見:(1)在電壓過沖階段的 -20 ns～0,復(fù)合陰極的等離子體徑向漂移速度遠(yuǎn)高于純石墨陰極,在該階段,由于TiO2的引入降低了發(fā)射閾值,爆炸發(fā)射開始較早,產(chǎn)生了大量的發(fā)射微點(diǎn),表明復(fù)合陰極可能有利于提升石墨陰極的發(fā)射均勻性;(2)在電壓過沖階段的0～20 ns,隨著陰極表面逐漸被等離子體覆蓋,計(jì)算得到的復(fù)合陰極的等離子體徑向漂移速度降低;(3)在電壓持續(xù)階段的20～30 ns,ω(TiO2)為20%,75%的復(fù)合陰極等離子體徑向漂移速度遠(yuǎn)小于純石墨陰極,與純石墨陰極相比,ω(TiO2)為20%的復(fù)合陰極等離子體徑向漂移速度降低20%以上,ω(TiO2)為75%的復(fù)合陰極等離子體徑向漂移速度降低30%以上,其他復(fù)合陰極的漂移速度與純石墨陰極相差小于10%;(4)在電壓持續(xù)階段的30～60 ns, 所有復(fù)合陰極的等離子體徑向漂移速度均小于純石墨陰極,其中, 與純石墨陰極相比,ω(TiO2)為20%,75%的復(fù)合陰極等離子體徑向漂移速度降低大于30%。通過計(jì)算分析可得,TiO2的摻雜能夠有效抑制石墨陰極的等離子體徑向漂移。

圖6 歸一化等離子體徑向漂移速度Fig.6 Normalized plasma expansion velocity

3 結(jié)論

本文通過梯度模壓等工藝制備了不同ω(TiO2)的TiO2/鱗片石墨復(fù)合陰極,并對(duì)復(fù)合陰極進(jìn)行了同軸二極管熱測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,ω(TiO2)為20%,35%,50%的復(fù)合陰極發(fā)射延時(shí)降低。等離子體徑向漂移速度的計(jì)算結(jié)果表明,在發(fā)射的初始階段,復(fù)合陰極表面產(chǎn)生大量發(fā)射微點(diǎn),可能有利于提升石墨陰極的發(fā)射均勻性。在電壓持續(xù)階段,各質(zhì)量分?jǐn)?shù)TiO2的摻雜均有效的降低了石墨陰極的等離子體徑向漂移速度。其中,與純石墨陰極相比,ω(TiO2)為20%的復(fù)合陰極在整個(gè)電壓持續(xù)階段,等離子體徑向漂移速度降低大于20%。