电子束轰击金属丝表面形态变化对虚阴极振荡器运行的影响.pdfVIP

电子束轰击金属丝表面形态变化对虚阴极振荡器运行 的影响 刘 列，徐启福 （国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙 410073 ） 摘要：本文呈现阳极网金属丝上被电子束轰击后形成的多个百微米尺寸的准周期性的结构，金属 丝的微观变化暗示着从固体到等离子体状态的多个复杂物理过程，其中包括界面不稳定性问题， 随着电子束的反复轰击，这种不稳定性将增长。它不仅改变了阴阳极间距，引起阳极透过率的改 变，导致二极管明显不遵从 C-L 关系，更重要的是阳极网出现很多微尖峰会引起局部场增强，促 进阳极等离子体的产生，造成了二极管闭合速度的加快，严重影响虚阴极振荡器运行，降低微波 输出效率。 关键词: 相对论电子束；金属丝阳极网；虚阴极振荡器 中图分类号： O461.1 文献标识码：A 高功率微波发生器按束波互作用机制不同可以分为三种类型[1]，即 O 型器件、M 型器件、空间电荷型器件。 在空间电荷型器件里最具代表性的是虚阴极振荡器，虚阴极振荡器具有高功率，结构简单，便于调谐等一系列特 征，但都要使用阳极网，阳极网的存在对微波输出功率和频率有着重要的影响. 我们在反射三极管虚阴极振荡器 中进行了关于阳极网的实验研究，发现经过反复的轰击后阳极网会变形、熔蚀，产生阳极等离子体。由于流体不 稳定性，形成阳极网金属丝上的微观变化，改变了阳极网的透过率，也严重地影响了虚阴极振荡器的微波功率输 出。阳极等离子体的产生不仅会改变阴阳极间距引起二极管阻抗变化，还会引起阳极透过率的改变，导致二极管 明显不严格遵从 C-L 关系，更重要的是阳极网出现很多微尖峰会促进阳极等离子体的产生，造成了二极管加速 闭合，减弱束波耦合，降低微波输出效率。当阳极网的厚度增加时，电子平均散射角也随之增大，微波产生效率 [2, 3] 降低 。 典型反射三极管虚阴极结构如图 1 所示，电子束加速通过阳极网在另一侧由于空间电荷效应形成虚阴极。使 用的阳极网由不锈钢丝编制而成，其直径 21 cm，电子透过率约 70% 。网格单元为方形，内边长~2.5 mm ，每根 单丝是圆柱形，其直径~0.3 mm 。 图.1 实验平台及阳极网示意图 Fig. 1 Experimental configuration of a triode VCO and its employed anode-grid 经电子束反复作用后的阳极网单丝表面形态如图 2 所示，这是阳极网中一段金属丝长度~2.5mm 。从图 2 中 可以看出，金属丝上出现了高度 300~500　m、宽度~200　m 微尖峰，而且这些尖峰的尺寸相仿，在中间部位的 峰值尺寸要大一些，在边缘处的相对较小。这些尖峰有如下特点，它们沿丝的轴向尺寸较大~200　m ，而在与丝 垂直的方向上较薄~100　m 。在一个单元格边上出现这样的微尖峰数大约 16 个，尖峰间隔在 150-200　m，呈现 了准周期性的波动排列，且这些微尖峰均朝向阴极，在金属丝经纬线上、前面和背面上，只要被电子束轰击过的 281 地方都会出现，无论是阴极发射电子束的正面轰击还是虚阴极反射电子的背面轰击。阳极网金属丝的峰值高度将 随电子束轰击次数增加而增加（丝厚度增加~100% ）。 图2 阳极网经电子束辐照后的表面形态 Fig.2 Surface morphology of a single wire (length~2.5 mm) irradiated by high-current electron beams 我们还对单丝表面上电子束轰击前后的局部进行了 EDS 分析，表面主要成分列表见表 1。对电子束轰击后 金属丝表面进行了成分分析，可以发现，经过反复电子束轰击后，表面上没有 O 元素，这说明了表面上一些氧 化物被去除；轰击前后比较，轰击后 C 元素的含量出现了增加，这表明了由于碳纤维阴极[4