电功率20 GW重复频率强流电子束二极管实验
张永辉 向 飞 宋法伦 康 强 罗 敏
重复频率强流电子束二极管是高功率微波源的关键部件之一,它的性能直接影响到高功率微波源的能量转换效率和微波输出功率。
从总体上考虑,20 GW二极管将采用径向绝缘技术,其中需要重点考虑的是降低绝缘子表面及三相(真空、绝缘子与金属)点的电场强度,同时提高输出束流的稳定性;另外还要考虑减小回流电子对绝缘子的轰击,避免绝缘子产生表面闪络,以延长绝缘子使用寿命。阴极发射采用场致爆炸发射方式,阴极端面浸没在均匀轴向磁场中。绝缘子采用锥形结构,一方面可以延长绝缘子沿面距离,另一方面可以保证磁力线不与绝缘子表面相交,从而避免回流电子的轰击。
图1为绝缘子表面电场分布,图2为二极管内总的静电场模拟分布。可以看出,绝缘子沿面上的电位分布在阴极屏蔽座的抬升下变得趋于均匀,并减小了绝缘子、阴极及真空三结合点的电场强度。由模拟结果可知,阴极座表面最大场强约246 kV/cm;绝缘子沿面电场相对比较均匀,平均场强为83 kV/cm,最大场强为94 kV/cm,三结合点电场强度达到最小(<10 kV/cm),均低于设计允许场强值。二极管内电场分布合理,场强最大处在阴极尖端附近,有利于爆炸电子发射。
图3为二极管以100 Hz重复频率运行时输出的电压、电流波形及单次打靶图像。
图3(a)中CH1为经时间轴压缩之后的电压波形,CH2为经时间轴压缩之后的电流波形,图3(b)为100次电压电流波形的重叠图像。由实验波形可知,当阴极环厚度为1 mm时,二极管在100 Hz重复频率下稳定运行,输出电子束能量超过1 MeV,电流超过20 kA,脉冲宽度约45 ns,达到设计指标。测量二极管输出电子束的束斑几何尺寸,判定出电子束的质量完全符合设计要求,满足HPM器件的研究需求。