[发明专利]一种纤维阵列阴极

说明书

技术领域

本发明涉及一种阴极，尤其是一种纤维阵列阴极，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、陶瓷纤维的耐高温烧蚀性能好，但是目前对碳纤维、玻璃纤维、陶瓷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、玻璃纤维天鹅绒或陶瓷纤维天鹅绒。中国专利申请《一种圆片阵列阴极》(文献3：一种圆片阵列阴极 [P]，樊玉伟等，发明专利，申请号：201510423394.6)利用了碳纤维、玻璃纤维耐高温烧蚀性能好的优点，但是制作介质圆片所采用的碳纤维布或者玻璃纤维布质地柔软，在制作过程中容易变形，因此制作出来的介质圆片往往不是严格的圆环状(制作出严格圆环形状的介质圆片有较很大难度)，这对于阴极侧面的纤维均匀性有一定影响，因而会对发射出来的电子束的质量有一定影响，最终会不利于提高MILO的整体性能。

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：设计一种纤维阵列阴极，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：