作为新型阴极,碳纤维阴极具有发射阈值低、出气率低、阴极等离子体膨胀速度慢、阴极寿命长、本底气压变化小、发射均匀等优点,因而碳纤维阴极是高功率二极管阴极的一个很好的选择。在这些优点当中,碳纤维阴极电子发射机制是这些特性的根本原因,所以对碳纤维阴极发射机制的研究有重要的意义。 本文首先建立了碳纤维等离子体形成模型并进行了相关的实验研究。表面闪络在碳纤维发射过程中起到了很重要的作用,发射后的微观照片验证了所建立的模型,并在此基础上结合表面闪络的二次电子发射机制与极化松弛机制,对碳纤维电子发射进行了理论解释。我们还进行了阴极光斑的实验研究,发现碳纤维阴极发射阈值较天鹅绒阴极低,光斑分布较均匀、电子发射不是明显集中在阴极的边缘,这证实了碳纤维阴极等离子体的均匀性。 我们采用电学方法进行了等离子体膨胀速度测量。通过二极管阻抗拟合计算了碳纤维、不锈钢阴极等离子体膨胀速度分别1.1cm/μs、2.5cm/μs,通过二极管间距随时间的变化我们可以定性地得出碳纤维、不锈钢阴极的等离子体膨胀速度分别为0.9cm/μs、2.2cm/μs,通过二极管导流系数的方法我们得到碳纤维阴极等离子体膨胀速度为0.98cm/μs,从结果可看出碳纤维阴极具有较慢的等离子体膨胀速度。 针对机制模型,我们进行了电子束质量的测试。通过阳极的打靶实验,发现碳纤维阴极能形成较均匀的电子束,另外,作为碳纤维阴极的一个定量测试结果,我们给出碳纤维阴极发射的发散度和亮度分别为1256mm·mrad、2×10~7A/(m·rad)~2。 作为碳纤维阴极的一种应用,我们在Tomachan实验装置上用碳纤维阴极取代不锈钢阴极,实验结果表明碳纤维阴极二极管的电压有明显平顶效果,电压脉冲得到加宽,微波主瓣方向功率提高了5-7dBm,此外还发现在微波输出功率相同的情况下,微波脉冲加宽了大约30%,这说明碳纤维阴极在高功率微波领域具有广阔的应用前景。 最后对本文的工作进行了总结,并展望今后的工作。