一種纖維陣列陰極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種陰極，尤其是一種纖維陣列陰極，屬于高功率微波技術(shù)領(lǐng)域中的微波源領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]磁絕緣線振蕩器(MagneticallyInsulated Transmiss1n Line Oscillator,MILO)是一種重要的高功率微波源，是當(dāng)前國內(nèi)外高功率微波源研究的熱點之一。陰極是MIL0的重要組成部分，良好的陰極設(shè)計是MIL0獲得高性能的前提。傳統(tǒng)MIL0 —般采用化纖天鵝絨陰極，由于化纖天鵝絨陰極不耐高溫?zé)g，故其運行壽命較短。這是制約MIL0長壽命運行的最主要問題。
[0003]傳統(tǒng)的緊湊型MIL0陰極由陰極座、錐形段、側(cè)向陰極、軸向陰極和天鵝絨組成(文獻1:樊玉偉等，改進型磁絕緣線振蕩器的實驗研究，等離子體科學(xué)，2007，Vol.35 (4): 1075.Y.ff.FAN, et al, Experimental investigat1n of an improved MILO，IEEE Trans.PlasmaSc1.，2007，Vol.35 (4): 1075)，如圖1所示。圖1為傳統(tǒng)的緊湊型MILO陰極剖視圖，在圖1中，1是陰極座、2是錐形段、3是側(cè)向陰極、4是軸向陰極，5是天鵝絨。其中天鵝絨為化纖材料，其余為不銹鋼材料。為了敘述的方便，下文規(guī)定:陰極座1所在的一端為左端，軸向陰極4所在的一端為右端。其結(jié)構(gòu)與裝配關(guān)系是:陰極座1為圓柱狀，右端留有螺孔；錐形段2左端為圓筒狀，外徑與陰極座1外徑相等。錐形段2左端帶有螺紋，旋入陰極座1右端的螺孔中。錐形段2右端為半徑漸增的錐形筒結(jié)構(gòu)，其最右端的內(nèi)外半徑與側(cè)向陰極3的內(nèi)外半徑分別相等。側(cè)向陰極3為空心圓筒，錐形段2與側(cè)向陰極3進行一體化加工形成一個整體。側(cè)向陰極3右端留有螺孔。軸向陰極4右側(cè)為圓盤狀，左側(cè)帶有螺紋，旋入側(cè)向陰極3右端的螺孔中。在側(cè)向陰極3與軸向陰極4的外表面粘貼天鵝絨5作為陰極發(fā)射材料。
[0004]使用中，陰極置于真空室中，與陽極之間存在高電壓。在高電壓作用下，天鵝絨纖維的尖端會產(chǎn)生陰極等離子體，進而產(chǎn)生相對論電子束，形成大電流。陰極等離子體溫度通常高達1000攝氏度以上，如此高的溫度會導(dǎo)致化纖天鵝絨纖維的尖端因燒蝕而彎曲。彎曲的天鵝絨纖維又導(dǎo)致其發(fā)射電子束的均勻性和發(fā)射能力的下降，進而導(dǎo)致微波源性能的下降。由此可見，化纖材料天鵝絨的一個重要缺點就是耐燒蝕性能差(文獻2:Yu-ffei Fan, etal, Repetit1n rate operat1n of an improved magnetically insulated transmiss1nline oscillator ；Physics of Plasmas, 2008, Vol.15 (8): 083102) 0 圖 2 所不是化纖天鶴絨纖維在工作前的電子掃描顯微鏡圖片，圖3所示是化纖天鵝絨纖維在工作200個脈沖之后的電子掃描顯微鏡圖片，可以看出工作之后化纖天鵝絨纖維由于燒蝕變得彎曲，而且均勻性也變差了。
[0005]化纖天鵝絨陰極的優(yōu)點是絨毛均勻性好，因此發(fā)射電流均勻，缺點是耐高溫?zé)g性差，而碳纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維的耐高溫?zé)g性能好，但是目前對碳纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維的植絨技術(shù)還不成熟，還不能植出達到化纖天鵝絨均勻性的碳纖維天鵝絨、玻璃纖維天鵝絨或陶瓷纖維天鵝絨。中國專利申請《一種圓片陣列陰極》(文獻3:—種圓片陣列陰極[P]，樊玉偉等，發(fā)明專利，申請?zhí)?201510423394.6)利用了碳纖維、玻璃纖維耐高溫?zé)g性能好的優(yōu)點，但是制作介質(zhì)圓片所采用的碳纖維布或者玻璃纖維布質(zhì)地柔軟，在制作過程中容易變形，因此制作出來的介質(zhì)圓片往往不是嚴(yán)格的圓環(huán)狀(制作出嚴(yán)格圓環(huán)形狀的介質(zhì)圓片有較很大難度)，這對于陰極側(cè)面的纖維均勻性有一定影響，因而會對發(fā)射出來的電子束的質(zhì)量有一定影響，最終會不利于提高MILO的整體性能。
[0006]因此設(shè)計一種新型陰極結(jié)構(gòu)，選用耐高溫?zé)g性能好的陰極材料，使之兼具耐高溫?zé)g性好和均勻性好的優(yōu)點，使陰極具有長壽命且發(fā)射的電子束流均勻，提高MIL0的工作效率并延長MIL0的運行壽命，對于推進高功率微波系統(tǒng)的工程應(yīng)用進程，拓展MIL0的應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的科研價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:設(shè)計一種纖維陣列陰極，提高陰極材料的耐燒蝕性能，延長MIL0的使用壽命。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0009]與傳統(tǒng)陰極相比，本發(fā)明一種纖維陣列陰極主要通過將一個個由多孔陣列圓環(huán)、“U”型纖維束、圓周墊片組成的纖維束圓周陣列套在陰極基底上組成，其“U”型纖維束兩端裸露在陰極的側(cè)面形成密集的纖維陣列，代替?zhèn)鹘y(tǒng)陰極中的天鵝絨。其中，多孔陣列圓環(huán)起到結(jié)構(gòu)支撐和電流傳導(dǎo)的作用，纖維束形成的密集纖維陣列主要是在強電場(數(shù)百kV/cm)作用下產(chǎn)生陰極等離子體，進而產(chǎn)生相對論電子束。所采用的纖維束一般為碳纖維束、玻璃纖維束或陶瓷纖維束，或者其它發(fā)射閾值低且耐高溫?zé)g的材料，所采用纖維束質(zhì)地柔軟，容易將其彎曲。由于所采用纖維束材料比傳統(tǒng)陰極中的化纖天鵝絨更耐高溫?zé)g，故使陰極運行壽命更長。采用這種耐高溫?zé)g的長壽命纖維陣列陰極可大大提高MIL0的運行壽命ο
[0010]采用本發(fā)明可以達到以下技術(shù)效果:
[0011](1)本發(fā)明可以提高陰極的耐高溫?zé)g性，提高陰極的壽命至數(shù)萬個脈沖。相比傳統(tǒng)陰極來說，陰極壽命可提高兩個數(shù)量級，從而大大延長MIL0的工作壽命；
[0012](2)本發(fā)明所述纖維陣列陰極可以發(fā)射出與普通的化纖天鵝絨陰極均勻性相同的電子束，可保證MIL0裝置的技術(shù)性能不降低。
【附圖說明】
[0013]圖1:【背景技術(shù)】中樊玉偉在文獻1公布的傳統(tǒng)的緊湊型MIL0采用的化纖天鵝絨陰極剖視圖；
[0014]圖2:【背景技術(shù)】中Yu-Wei Fan在文獻2公布的工作前化纖天鸛絨纖維的電子掃描顯微鏡圖片；
[0015]圖3:【背景技術(shù)】中Yu-Wei Fan在文獻2公布的工作200次脈沖后化纖天鵝絨纖維的電子掃描顯微鏡圖片；
[0016]圖4:本發(fā)明纖維陣列陰極沿中心軸線的剖視圖；
[0017]圖5:纖維束圓周陣列的右視圖以及沿中心軸線的剖視圖；
[0018]圖6:多孔陣列圓環(huán)4的右視圖以及沿中心軸線的剖視圖；
[0019]圖7:纖維束圓周陣列的組裝流程圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明。
[0021]圖4為本發(fā)明纖維陣列陰極沿中心軸線的剖視圖，陰極環(huán)繞軸線對稱。本發(fā)明纖維陣列陰極由陰極座1、錐形段2、陰極基底3、多孔陣列圓環(huán)4、“U”型纖維束5、圓周墊片6、陰極帽7組成，多孔陣列圓環(huán)4、“U”型纖維束5、圓周墊片6組成纖維束圓周陣列。其中“U”型纖維束5 —般為碳纖維束、玻璃纖維束或陶瓷纖維束，或者其它發(fā)射閾值低且耐高溫?zé)g的材料制作，其它部分均采用不銹鋼材料制作。
[0022]其結(jié)構(gòu)與裝配關(guān)系如下:
[0023]為了敘述的方便，下文規(guī)定:陰極座1所在的一端為左端，陰極帽7所在的一端為右端。纖維陣列陰極的結(jié)構(gòu)與裝配關(guān)系如下:陰極座1為直徑為Φ1的圓柱體，右端開有直徑為Φ2的螺孔，Φ2 < Φ1 ;錐形段2由一段圓柱體和一段半徑漸增的圓臺組成，圓柱體的左端帶有一段螺桿，螺桿可旋入陰極座1右端的螺孔中；圓柱體的直徑等于陰極座1的直徑Φ1，半徑漸增