關于碳納米管陰極強流脈沖發射性能分析

燕志剛

摘 要 我國的經濟社會不斷發展，科學技術水平不斷提升。在物理化學工業中，碳納米管的應用非常普遍。為了提高碳納米管的綜合性能，需要對碳納米管的陰極進行制作。就目前來看，碳納米管陰極的制作方法有兩種，制作方法不同，其強流脈沖發射性能也不盡相同。本文將具體探討碳納米管陰極的強流脈沖發射性能，希望能為相關人士提供一些參考。

關鍵詞 碳納米管；陰極；強流脈沖發射性能

中圖分類號 O4 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）15-0007-01

進入新世紀以來，我國的社會主義市場經濟持續繁榮，物理化學工業也進入了快速發展階段。在物理化學產品制造過程中，經常需要配備碳納米管陰極，碳納米管陰極的脈沖電流越大，產品生產效率越高。我國的碳納米管陰極材料比較多，將不同材料混合在一起，會產生差異性的陰極離子體。為了得到穩定的脈沖電流，必須對碳納米管陰極的強流脈沖發射性能進行分析。

1 理論基礎

為了對碳納米管陰極的強流脈沖發射性能進行分析，需要以物理化學知識作為理論基礎。以電力學原理為例，在電場作用下，碳納米管的陰極會發射較強電流，電流大小不一，最大電流可以達到MA級別[1]。由于碳納米管陰極具有良好的物理化學特性，其被廣泛應用在電流匯聚、強流輻照等領域。想要發揮碳納米管陰極的強流脈沖發射性能，必須組合不同的制作原料，如天鵝絨、纖維等等。不同制作材料會產生化學反應，使碳納米管陰極呈現出較強光束。陰極的光束不斷膨脹，離子體會朝著陽極的方向運動，二者的距離會逐漸縮短。一般來說，陽極和陰極的間距越大，電場越不穩定，光束的品質越差。陽極和陰極的間距越小，電場越平穩，光束的品質越好。傳統的碳納米管陰極配備材料存在一定問題，對碳納米管的綜合性能產生不利影響。隨著時代的不斷發展，碳納米管陰極配備材料日益增多，在很大程度上保證了碳納米管陰極的強流質量。碳納米管陰極不僅適用于物理化學工業，還適用于武器制造領域、航空領域等等。

2 實驗概述

2.1 實驗流程

探討碳納米管陰極的強流脈沖發射性能，需要進行對比實驗。就目前來看，碳納米管陰極的配備方法有兩種：第一種是印刷方法，第二種是涂敷方法，兩種陰極配備方法不同，強流脈沖發射性能也呈現出一定差異。在采用印刷方法和涂敷方法配備碳納米管陰極時，需要應用纖維素、碳納米管、化學試劑等材料，而且必須嚴格控制不同材料的比重。為了加速材料融合，可以采用乙醇等材料，形成碳納米管的化學漿料。在保證漿料均勻之后，可以將材料印刷在基片上。基片的厚度需要控制在5cm左右，并保持表面干燥。為了收獲更好的實驗效果，實驗人員需要對樣品進行質檢，并將合格之后的樣品放在火爐中進行燒結。當溫度達到800℃，實驗人員需要延長燒結時間。在1個小時之后，實驗人員可以冷卻火爐，得到最終的碳納米管陰極，并將其放在試驗臺上，檢驗其強流脈沖發射性能。經過實驗，可以發現依靠印刷方法和涂敷方法配備而成的碳納米管陰極具有較好的強流脈沖發射性能，其發射面呈圓球狀。

碳納米管陰極的脈沖功率和發射性能密切相關，一般來說，碳納米管陰極的脈沖功率越大，發射性能越好；碳納米管陰極的脈沖功率越小，發射性能越差。經過測試，碳納米管陰極脈沖寬度為100ns，碳納米管陰極和陽極的空間距離為100mm，連續脈沖的間隔為2min[2]。在進行反復實驗之后，發現陰極的離子體發生變化。離子體在強流作用下會呈現出交叉分布的狀態，一些離子體附著在陰極的表面，一些離子體與陰極平行。采用印刷方法的離子體最大高度為400nm左右，而采用涂敷方法的離子體最大高度為1μm左右；采用印刷方法配備的碳納米管陰極和陽極間距為200nm左右，而采用涂敷方法配備的碳納米管陰極和陽極間距為500nm左右。

2.2 實驗結果

對上述的實驗現象進行分析，可以發現碳納米管陰極配備方法不同，離子體的分布也不盡相同。實驗人員需要應用掃描電鏡，對陰極上的離子體結構進行分析，如圖1所示。碳納米管的半徑為15nm，采用印刷方法配備的碳納米管陰極厚度為600nm，而采用涂敷方法配備的碳納米管陰極厚度為1μm。根據上述的實驗數值，可以計算不同碳納米管陰極的密度。無論是印刷方法配備的碳納米管陰極，還是涂敷方法配備的碳納米管陰極，其密度都低于DAVYDOV的研究值，因此兩種方法都適用于強電場。值得注意的是，兩種方法存在一定缺陷。以印刷方法為例，印刷方法存在管壁缺陷，會影響碳納米管陰極強電流的穩定性。以涂敷方法為例，涂敷方法存在密度缺陷，會影響碳納米管陰極強電流的發射量。

在脈沖電流相同情況下，對兩種碳納米管陰極進行測試，可以發現不同陰極對強電場的反應不同。在實驗初期，印刷方法配備的碳納米管陰極會出現大范圍的波動，發射電流呈流線變化趨勢。與之相對，涂敷方法配備的碳納米管陰極波動幅度比較小，發射的電流非常穩定。在一段時間之后，印刷方法配備的碳納米管陰極發射電流逐漸平穩，脈沖值基本保持不變。與之相對，涂敷方法配備的碳納米管陰極發射電流逐漸失衡，脈沖值發生劇烈變化[3]。經過實驗對比，可以得出以下幾個。第一，印刷方法配備的碳納米管陰極和涂敷方法配備的碳納米管陰極都有相似的波形特點，而且二者波形具有相對性特征。第二，碳納米管陰極的電子束和脈沖電流密切相關，脈沖電流越大，電子束越強。第三，碳納米管陰極在發射電流的過程中，會和基片相互摩擦，加大電路電阻，阻礙離子體的重構。

3 結論

綜上所述，我國的經濟社會不斷發展，科學技術水平不斷提升。在物理化學工業中，碳納米管的應用非常普遍。就目前來看，碳納米管陰極的配備方法有兩種：第一種是印刷方法，第二種是涂敷方法，陰極配備方法不同，強流脈沖發射性能也不盡相同。我國的碳納米管陰極材料比較多，將不同材料混合在一起，會產生差異性的陰極離子體。為了得到穩定的脈沖電流，必須對碳納米管陰極的強流脈沖發射性能進行分析。

參考文獻

[1]江彬禮.碳納米管冷陰極三級結構電子槍的仿真設計與測試[C]//.2016真空電子學分會第二十屆學術年會論文集（下），2016：5.

[2]袁學松，張宇，孫利民，等.碳納米管冷陰極脈沖發射特性及仿真模型研究[J].物理學報，2012（21）：345-351.

[3]諶怡，張篁，楊安民，等.碳納米管陰極強流脈沖發射放氣特性研究[J].物理學報，2012（7）：103-109.endprint