[发明专利]碳纤维环形阴极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种实用化碳纤维阴极的制备方法，具体涉及一种碳纤维环形阴极的制备方法，在强流脉冲电子束技术与应用、高功率微波等领域具有重要的实用价值。

背景技术

高质量长脉冲强流电子束的产生一直是强流脉冲电子束技术与应用研究领域的重要目标之一，也是发展高功率微波（HPM：High Power Microwave）源的关键技术之一。产生强流电子束的实用化阴极主要有平板状、柱状和环形三种。平板状和柱状阴极的发射面积大，发射电流大，电流密度小；环形阴极的发射面积小，发射电流小，电流密度大。探索和发展实用化的且发射电流密度大、阴极等离子体膨胀速度小、重复性好、使用寿命长的新型阴极是该领域研究进展的重要基础。

近年来，国外开展了许多有关于碳纤维阴极材料的研究工作，结果表明，处于金属和介电阴极之间的碳纤维阴极在性能上具备许多优点，主要表现在：碳纤维阴极的阈值电压低，电流密度大，发射均匀，二极管本底气压变化小、寿命较长，并且表面浸渍碘化铯（CsI）后可以显著降低等离子膨胀速度。这些特点使碳纤维材料有望成为理想的阴极材料。

在碳纤维阴极的制备工艺上，国外多采用束丝碳纤维、碳纤维布和碳纤维毡制备碳纤维阴极，它们主要是采用有机粘接剂（如环氧树脂）将纤维与基板材料组合起来或将碳纤维直接塞紧。如美国Eusebio Garate与Roger D. McWilliams 1995年3月发表在Review of Scientific Instruments（科学仪器评论）杂志上的论文“Novel cathode for field-emission application（用于场发射的新型阴极）”中，用薄石墨板为衬底，根据阴极尺寸大小，通过机械方法，加工出整列排布的小孔，将纤维束排布其中，并采用环氧树脂粘接剂将纤维束固定，然后将石墨板用氰基丙稀酸盐粘接剂与铝板连接，从而形成类似于“毛刷”结构的阴极。纤维的数量由孔洞的直径及间距决定。该碳纤维阴极制备技术适合用于平板状阴极。美国Amnon Fisher与Eusebio Garate在1998年发表于第12届国际高功率粒子束会议文集（Proceedings of the 12th international conference on high power particles beams）上的论文“Long pulse electron beams produced from carbon fiber cathodes（由碳纤维阴极所产生的长脉冲电子束）”中还以类似方法加工了环状和针状碳纤维阴极，但所加工的环状阴极的碳纤维的平整性及均匀性难以满足高品质电子束发射的需要。美国R. Prohaska与A. Fisher于1982年发表在Review of Scientific Instruments（科学仪器评论）杂志上的论文“Field emission cathodes using commercial carbon（使用商用碳纤维的场发射阴极）”中，将束丝碳纤维插入金属管中并塞紧，得到类似于毛笔状碳纤维阴极。美国D. Shiffler等人在2004年申请的专利“Field Emission Cold Cathode”（U. S. Patent 6683399）中公布了类天鹅绒碳纤维（carbon velvet）阴极的制备方法。该专利采用将类天鹅绒的碳纤维毡（商品名为Vel-Black?，美国Energy Science Laboratories Inc.生产）粘合在阴极座表面的方法制备纤维轴向垂直于发射端面的碳纤维阴极，并在碳纤维表面涂覆CsI盐。类天鹅绒的碳纤维毡是采用静电植绒的方法制备得到的。D. Shiffler 和 J. Heggemeier等人于2004年4月发表在Physics of Plasmas（等离子物理）杂志上的论文“Low level plasma formation in a carbon velvet cesium iodide coated cathode（涂覆CsI的类天鹅绒碳阴极的低等离子体形成）”中对类天鹅绒碳纤维阴极的强流电子发射性能进行了研究。但是，到目前为止，还没有关于类天鹅绒碳纤维环形阴极的研究报道。国内的刘列等人于2009年发表在Review of Scientific Instruments（科学仪器评论）杂志上的论文“Robust, easily shaped, and epoxy-free carbon-fiber-aluminum cathodes for generating high-current electron beams（用于产生高密度电子束的耐用、易成型、无环氧的碳纤维铝阴极）”的文章中提出了通过将液态金属渗入碳纤维预制件中，然后通过机械加工和金属基体的控制腐蚀来制备碳纤维复合阴极的方法。上述文献提供的技术主要适用于制备平板状或柱状碳纤维阴极，难以制备出碳纤维环形阴极。