2-9  强流电子二极管中阴极等离子体的膨胀

夏连胜  王  勐  黄子平  张开志  石金水  章林文  邓建军

强流真空电子二极管是一种可以利用场发射的方法获得脉冲电流数kA到数MA的电真空装置，在强流加速器、高功率微波等领域得到广泛应用。强流电子真空二极管中，由于阴极材料气化和离子化等因素产生了阴极等离子体。阴极等离子体以一定速度向阳极运动，改变二极管阴阳极间实际间隙大小，并影响进一步引出电子束时二极管状态，从而影响引出束参数。

二极管区阴极等离子体的存在并膨胀导致二极管分布电容和发射电流随脉冲序数增大，并使二极管有效阴阳极间隙d_eff变小，d_eff = d₀ - v_ct，d₀为阴阳极几何间隙，v_c为阴极等离子体膨胀速率，t为等离子体作用时间，其起始时刻为第1个电流脉冲开始发射时刻。阴极等离子体膨胀将导致：二极管电压不一致，注入器输出多脉冲电子能量和束流大小不一致；束流脉冲间差异将给束输运带来困难。

真空强流二极管电流是空间电荷限制流。阴极等离子体膨胀速率可以采用空间电荷限制流进行估算。由于阴极边缘发射等因素的存在，给发射面确定带来一定困难。可以取一等效发射面，并假定等效发射面和等效阳极面一致。这一假设依据是阴阳极面比电子发射面大很多，二极管区电场是均匀的，束流横向运动分量很小，束流基本是平直柱形束。则有下式成立

式中，P为二极管导流系数；r_{a , eff}为有效阳极孔半径；d_eff为二极管有效间隙；V_d为二极管电压；I_e为发射电流。第一个脉冲发射时，取d_eff等于实际二极管几何间隙d₀。由I_e1，V_d1，d_eff1可算出r_a,eff。再假定r_a,eff在不同脉冲过程保持不变，由每个脉冲过程的I_e、V_d可以求出d_eff 。

利用上述假设，得到不同间隙和导流系数条件下阴极等离子体膨胀速率。当二极管极间隙为55 mm时，由多次实验数据，在二极管电压有所差异条件下，计算出4个脉冲间等离子体膨胀平均速率分别为0.98，3.86 cm/ms和1.90 cm/ms，总的脉冲过程中平均速率为2.19 cm/ms。当二极管极间隙距离为70 mm时，由多次实验数据，计算出4个脉冲间等离子体膨胀平均速率分别为1.31，2.26 cm/ms和2.73 cm/ms，总脉冲过程中平均速率为1.93 cm/ms。当二极管极间隙为85 mm时，计算出4个脉冲间等离子体膨胀平均速率分别为0.77，2.88 cm/ms和0.91 cm/ms，总脉冲过程中平均速率为1.22 cm/ms。