一种纤维阵列阴极的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种阴极，尤其是一种纤维阵列阴极，属于高功率微波技术领域中的微波源领域。
【背景技术】
[0002]磁绝缘线振荡器(MagneticallyInsulated Transmiss1n Line Oscillator,MILO)是一种重要的高功率微波源，是当前国内外高功率微波源研究的热点之一。阴极是MIL0的重要组成部分，良好的阴极设计是MIL0获得高性能的前提。传统MIL0 —般采用化纤天鹅绒阴极，由于化纤天鹅绒阴极不耐高温烧蚀，故其运行寿命较短。这是制约MIL0长寿命运行的最主要问题。
[0003]传统的紧凑型MIL0阴极由阴极座、锥形段、侧向阴极、轴向阴极和天鹅绒组成(文献1:樊玉伟等，改进型磁绝缘线振荡器的实验研究，等离子体科学，2007，Vol.35 (4): 1075.Y.ff.FAN, et al, Experimental investigat1n of an improved MILO，IEEE Trans.PlasmaSc1.，2007，Vol.35 (4): 1075)，如图1所示。图1为传统的紧凑型MILO阴极剖视图，在图1中，1是阴极座、2是锥形段、3是侧向阴极、4是轴向阴极，5是天鹅绒。其中天鹅绒为化纤材料，其余为不锈钢材料。为了叙述的方便，下文规定:阴极座1所在的一端为左端，轴向阴极4所在的一端为右端。其结构与装配关系是:阴极座1为圆柱状，右端留有螺孔；锥形段2左端为圆筒状，外径与阴极座1外径相等。锥形段2左端带有螺纹，旋入阴极座1右端的螺孔中。锥形段2右端为半径渐增的锥形筒结构，其最右端的内外半径与侧向阴极3的内外半径分别相等。侧向阴极3为空心圆筒，锥形段2与侧向阴极3进行一体化加工形成一个整体。侧向阴极3右端留有螺孔。轴向阴极4右侧为圆盘状，左侧带有螺纹，旋入侧向阴极3右端的螺孔中。在侧向阴极3与轴向阴极4的外表面粘贴天鹅绒5作为阴极发射材料。
[0004]使用中，阴极置于真空室中，与阳极之间存在高电压。在高电压作用下，天鹅绒纤维的尖端会产生阴极等离子体，进而产生相对论电子束，形成大电流。阴极等离子体温度通常高达1000摄氏度以上，如此高的温度会导致化纤天鹅绒纤维的尖端因烧蚀而弯曲。弯曲的天鹅绒纤维又导致其发射电子束的均匀性和发射能力的下降，进而导致微波源性能的下降。由此可见，化纤材料天鹅绒的一个重要缺点就是耐烧蚀性能差(文献2:Yu-ffei Fan, etal, Repetit1n rate operat1n of an improved magnetically insulated transmiss1nline oscillator ；Physics of Plasmas, 2008, Vol.15 (8): 083102) 0 图 2 所不是化纤天鶴绒纤维在工作前的电子扫描显微镜图片，图3所示是化纤天鹅绒纤维在工作200个脉冲之后的电子扫描显微镜图片，可以看出工作之后化纤天鹅绒纤维由于烧蚀变得弯曲，而且均匀性也变差了。
[0005]化纤天鹅绒阴极的优点是绒毛均匀性好，因此发射电流均匀，缺点是耐高温烧蚀性差，而碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维的耐高温烧蚀性能好，但是目前对碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维的植绒技术还不成熟，还不能植出达到化纤天鹅绒均匀性的碳纤维天鹅绒、玻璃纤维天鹅绒或陶瓷纤维天鹅绒。中国专利申请《一种圆片阵列阴极》(文献3:—种圆片阵列阴极[P]，樊玉伟等，发明专利，申请号:201510423394.6)利用了碳纤维、玻璃纤维耐高温烧蚀性能好的优点，但是制作介质圆片所采用的碳纤维布或者玻璃纤维布质地柔软，在制作过程中容易变形，因此制作出来的介质圆片往往不是严格的圆环状(制作出严格圆环形状的介质圆片有较很大难度)，这对于阴极侧面的纤维均匀性有一定影响，因而会对发射出来的电子束的质量有一定影响，最终会不利于提高MILO的整体性能。
[0006]因此设计一种新型阴极结构，选用耐高温烧蚀性能好的阴极材料，使之兼具耐高温烧蚀性好和均匀性好的优点，使阴极具有长寿命且发射的电子束流均匀，提高MIL0的工作效率并延长MIL0的运行寿命，对于推进高功率微波系统的工程应用进程，拓展MIL0的应用领域具有广阔的应用前景和重要的科研价值。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是:设计一种纤维阵列阴极，提高阴极材料的耐烧蚀性能，延长MIL0的使用寿命。
[0008]本发明采用的技术方案是:
[0009]与传统阴极相比，本发明一种纤维阵列阴极主要通过将一个个由多孔阵列圆环、“U”型纤维束、圆周垫片组成的纤维束圆周阵列套在阴极基底上组成，其“U”型纤维束两端裸露在阴极的侧面形成密集的纤维阵列，代替传统阴极中的天鹅绒。其中，多孔阵列圆环起到结构支撑和电流传导的作用，纤维束形成的密集纤维阵列主要是在强电场(数百kV/cm)作用下产生阴极等离子体，进而产生相对论电子束。所采用的纤维束一般为碳纤维束、玻璃纤维束或陶瓷纤维束，或者其它发射阈值低且耐高温烧蚀的材料，所采用纤维束质地柔软，容易将其弯曲。由于所采用纤维束材料比传统阴极中的化纤天鹅绒更耐高温烧蚀，故使阴极运行寿命更长。采用这种耐高温烧蚀的长寿命纤维阵列阴极可大大提高MIL0的运行寿命ο
[0010]采用本发明可以达到以下技术效果:
[0011](1)本发明可以提高阴极的耐高温烧蚀性，提高阴极的寿命至数万个脉冲。相比传统阴极来说，阴极寿命可提高两个数量级，从而大大延长MIL0的工作寿命；
[0012](2)本发明所述纤维阵列阴极可以发射出与普通的化纤天鹅绒阴极均匀性相同的电子束，可保证MIL0装置的技术性能不降低。
【附图说明】
[0013]图1:【背景技术】中樊玉伟在文献1公布的传统的紧凑型MIL0采用的化纤天鹅绒阴极剖视图；
[0014]图2:【背景技术】中Yu-Wei Fan在文献2公布的工作前化纤天鹳绒纤维的电子扫描显微镜图片；
[0015]图3:【背景技术】中Yu-Wei Fan在文献2公布的工作200次脉冲后化纤天鹅绒纤维的电子扫描显微镜图片；
[0016]图4:本发明纤维阵列阴极沿中心轴线的剖视图；
[0017]图5:纤维束圆周阵列的右视图以及沿中心轴线的剖视图；
[0018]图6:多孔阵列圆环4的右视图以及沿中心轴线的剖视图；
[0019]图7:纤维束圆周阵列的组装流程图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。
[0021]图4为本发明纤维阵列阴极沿中心轴线的剖视图，阴极环绕轴线对称。本发明纤维阵列阴极由阴极座1、锥形段2、阴极基底3、多孔阵列圆环4、“U”型纤维束5、圆周垫片6、阴极帽7组成，多孔阵列圆环4、“U”型纤维束5、圆周垫片6组成纤维束圆周阵列。其中“U”型纤维束5 —般为碳纤维束、玻璃纤维束或陶瓷纤维束，或者其它发射阈值低且耐高温烧蚀的材料制作，其它部分均采用不锈钢材料制作。
[0022]其结构与装配关系如下:
[0023]为了叙述的方便，下文规定:阴极座1所在的一端为左端，阴极帽7所在的一端为右端。纤维阵列阴极的结构与装配关系如下:阴极座1为直径为Φ1的圆柱体，右端开有直径为Φ2的螺孔，Φ2 < Φ1 ;锥形段2由一段圆柱体和一段半径渐增的圆台组成，圆柱体的左端带有一段螺杆，螺杆可旋入阴极座1右端的螺孔中；圆柱体的直径等于阴极座1的直径Φ1，半径渐增