重復頻率爆炸發射陰極現狀及展望

郭華

摘 要：Explosive Emission Cathode，簡稱EEC，即通常所說的重復頻率爆炸發射陰極，是高功率重復頻率的強留電子書產生的關鍵。文章基于爆炸發射時產生的增強的尖端場以及由閃絡所引發的相關機制進行了闡述，對EEC的重復頻率運行的影響因素進行了探析，對研究現狀進行了綜合的概述，同時對EEC的幾種特性做出了總結。指出了以探索新型材料以及對結構進行改進的方式實現重復頻率發射陰極。基于此研究項目，將六硼化鑭作為EEC的材料，提出能夠更好地適應“單焦斑”多幅閃光照相相關工業的冷飲機二極管（Industrial Coax Diode）新型的陰極結構，即輪輻狀金屬-鐵電陶瓷（Ferroelectric Ceramics）復合陰極，并展望了其發展的前景。

關鍵詞：重復頻率爆炸發射陰極 六硼化鑭 新型復合陰極結構

中圖分類號：O462 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0222-01

以工業的冷陰極二極管對重復頻率閃光照相進行實現的方式非常多，其中，“單焦斑”的方式可以避免視覺差異，在一些與精密的物理實驗相似的特殊場合中更為適用，但是陰極重復頻率發射的頻率也極大地受到其發射能力的限制。純粹的電子發射陰極重復頻率較高，發射流的強度卻非常小。為促進“單焦斑”促發高重復心律閃相技術的繼續研究，文章以對陰極電子發射極致的論述為基礎，對陰極重復頻率發射的影響因素進行分析，綜合闡述了EEC重復頻率當前特性的研究狀況，提出了相關的新型材料和結構，同時展望其發展的前景。

1 物理機制角度談爆炸發射與絕緣恢復

等離子體的陰極最大程度上能夠提供數十加的電流，其分類為主動與被動。主動是指等離子體的陰極在主脈沖的作用下進行產生，被動是指觸發脈沖先于主脈沖加載而提前進行等離子體陰極的產生。爆炸的機制也可以分成兩種：

（1）尖端場的增強和引發。此類機制中最為典型的是金屬和石墨等物質。主脈沖進行作用激發陰極表面強大的電場，通過表面的顆粒物質以及晶須等形成了數以千計的電場畸變，對氣體進行解體和再吸附過程，或進行對雜志的直接穿透作用，等離子體的發射電流由此產生。進而在電場繼續增強的背景下，發射面積極大的增強。

（2）沿面的閃絡和引發。該引發機制包括尖端場的增強引發機制和金屬、真空、介質三點一線協同引發兩方面。增強引發包括尼龍、腈綸等。三點引發則包括鐵電體、陶瓷等陰極。在較低的閾值之下，大量三相點產生了陰極表面的閃絡并迅速形成等離子群。在高溫和脈沖的作用下，產生發射電流并擴散。示意圖如圖1。

經過該循環過程，陰極表面的溫度急速下降。但內質的高溫會增加電離子的穿透率，引發新一次的爆炸發射。

2 對重復頻率爆炸發射陰極現狀的闡述和分析

重復頻率的強流電子束實現的核心就是擁有重復頻率發射能力的陰極，這是迫切需要解決的關鍵性問題。國內外專家學者都在對EEC的該特性展開積極的研究，并取得了可觀的成果。最主要的有以下幾點。

（1）金屬的陣列陰極。平面金屬的陰極的νp較快，發射不均。陣列的陰極發射率較均勻，與之也較小。在閃光X光機的激發下重復率低于1赫茲。

（2）復合性陰極纖維介電。該介電陰極和復合陰極的發展前景非常遠，也是近些年的研究焦點。但是其表面積過大，更多的氣體和雜質會被吸收進來，應該加以對材料進行改良的輔助，對吸附功能弱化以提升其發射能力，纖維的爆炸發射示便完成。

3 對EEC的探討和展望

當前，對EEC的研究基本處在均勻電場環境下的發射，其特性較為連續，頻率低，是淺層次的研究。對于閃相的運用和陰極的高頻促發研究非常少，而恰恰這類物理的發射過程是研究等離子體擴展的關鍵問題。對不易于蒸發的材料的尋求是實現高重復頻率的發射陰極最為重要的技術支撐。在高溫下，對高能的離子和電子的轟擊抗擊能力非常大，蒸汽的壓力是已發現的材料中最低的物質。

另外，要提升發射的均勻度，以實現EEC高重復頻率，三點引發的機制最為適合。同時，簡化真空處理的過程，加之穩定的化學特性材料，可以避免高溫下的保護步驟。在電壓的脈沖飛升過程中，確定發射點的初始位置。迅速引發獨立數量的等離子體點相聚和，最終實現高重復頻率的發射能力。引進對該機制的研究成果能夠獲得良好的發展前景。

4 結語

隨著科技革命的推動和當前強電流光束技術的迅速發展，其市場的應用和需求也迅速增大。在當前的脈沖功率技術的領域中，重復頻率強流電子束成為了重要的研究方向之一，其涵蓋最為關鍵的、需要迫切解決的問題是重復頻率電子發射能力爆炸的發射陰極。當前固有的陰極并不能更好地滿足對其應用的需要，遏制著其繼續發展。通過對新材料的探索和結構的研究，能夠更加合理地對結構進行設計，設計出更加均勻的爆炸發射機制，促進這門新科技不斷發展。

參考文獻

[1] 左應紅，王建國，朱金輝，等.二極管爆炸發射陰極等離子體的膨脹擴展[J].強激光與粒子束，2014（6）：1471-1474.

[2] 向飛，曾凡光，王淦平，等.強流碳納米管陰極重復頻率發射特性[J].強激光與粒子束，2014（6）：291-294.

[3] 馬勛，劉宏偉，姜蘋，等.金屬-鐵電陶瓷沿面陰極三相點電場分析[J].電子設計工程，2014（14）：177-179.