陰極平板二極管測(cè)試狀態(tài)分析

　　在陰極測(cè)試工作中,常常選擇水冷陽(yáng)極的近距二極管結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試,但是在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中有較多的測(cè)試結(jié)果與理論推導(dǎo)是有出入的。尤其是導(dǎo)流系數(shù)的在空間電荷區(qū)的變化,本文就可能的原因進(jìn)行討論和分析,并通過(guò)一些計(jì)算模擬對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行解釋。

　　陰極作為大功率真空器件的核心,為滿(mǎn)足各類(lèi)器件的要求而不斷更新發(fā)展,從最早的純金屬陰極到目前廣泛應(yīng)用的各類(lèi)擴(kuò)散陰極。為評(píng)估性能,陰極必須安裝在一定的測(cè)試載體中,目前廣泛采用的測(cè)試載體通常有兩種,一種是專(zhuān)用電子槍,需要較復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試成本較高,實(shí)施起來(lái)有一定難度;另一種常用的測(cè)試載體即常說(shuō)的水冷陽(yáng)極二級(jí)管,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)試系統(tǒng)容易搭建,較容易實(shí)現(xiàn);但是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的不一致性等問(wèn)題,多數(shù)人對(duì)這種測(cè)試結(jié)果持保留態(tài)度。由于水冷陽(yáng)極二級(jí)管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)試容易,在實(shí)際研究工作依然得到了廣泛應(yīng)用。二極管的伏安特性是評(píng)估陰極性能常用方法,通過(guò)二極管的伏安特性曲線(xiàn)可以給出陰極的最大發(fā)射電流密度。但是在繪制伏安特性曲線(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),空間電荷區(qū)斜率小于理論計(jì)算值1.5 ,即不符合二分之三次方定律。下面就這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析和討論。

1、二極管結(jié)構(gòu)及測(cè)試系統(tǒng)

1.1、二極管結(jié)構(gòu)

　　測(cè)試二極管采用的水冷陽(yáng)極結(jié)構(gòu),如圖1 所示。外殼為玻璃結(jié)構(gòu),陽(yáng)極為無(wú)氧銅,可以承受較大的功率, 最大可至200W;發(fā)射體為平面,陰極與陽(yáng)極面組成平板二極管結(jié)構(gòu)。

圖1 　標(biāo)準(zhǔn)水冷陽(yáng)極二極管　　圖2 　二極管測(cè)試原理圖

1.2、測(cè)試系統(tǒng)

　　測(cè)試系統(tǒng)由三部分組成:測(cè)試二極管,測(cè)試電源,電壓電流及溫度采樣。測(cè)試電源分為兩種,一是直流電源,產(chǎn)生直流高壓,支取的電流也是直流。另一種電源為脈沖式,產(chǎn)生脈沖高壓,支取脈沖電流。電流電壓采樣在直流測(cè)試時(shí)使用一般電表就可以完成。在脈沖測(cè)試時(shí)采用可以讀數(shù)或測(cè)量的示波器采集數(shù)據(jù),溫度一般采用亮度高溫計(jì)測(cè)量。圖2 為二極管測(cè)試原理圖。

1.3、典型的測(cè)試結(jié)果

　　圖3為實(shí)際測(cè)試所得的典型的陰極伏安特性曲線(xiàn),該陰極為覆鋨(Os) 膜的鋁酸鹽陰極,陰極直徑為3mm ,陰極工作溫度(亮度溫度) 為1050 ℃,采用脈沖方式測(cè)試,脈沖寬度為5μs ,重復(fù)頻率500 Hz 。通過(guò)觀(guān)察其伏安特性曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn),其拐點(diǎn)電流密度為29.33 A/cm2 ,可以說(shuō)其發(fā)射能力相當(dāng)可觀(guān),但是其在空間電荷區(qū)的斜率僅為1.34 ,也是說(shuō)在空間電荷區(qū)內(nèi),其導(dǎo)流系數(shù)一直在變化,即逐漸變小。到底是什么原因造成導(dǎo)流系數(shù)一直在變小呢?

圖3 　典型的二極管伏安特性曲線(xiàn)　　圖4 　不同極間距的電場(chǎng)計(jì)算模擬

2、可能的原因分析

2.1、極間距的影響

　　首先水冷陽(yáng)極近距二極管為玻璃結(jié)構(gòu),裝架過(guò)程采用人工控制,其距離和平行與否都是通過(guò)人眼觀(guān)察,這就造成極間距,及陰陽(yáng)極的平行度等都存在較大的變數(shù)。多數(shù)文獻(xiàn)在介紹平板二極管結(jié)構(gòu)時(shí)都指出,當(dāng)陰、陽(yáng)極間距與陰極直徑之比小于011 時(shí),極間電場(chǎng)分布可以近似為理想的無(wú)限大平板二極管。我們目前的實(shí)驗(yàn)陰極直徑為標(biāo)準(zhǔn)的3 mm ,為滿(mǎn)足理想的平板二極管的要求,陰、陽(yáng)極間距應(yīng)小于0.3mm ;但在實(shí)際工作中,由于在裝配時(shí)完全憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)保證陰極熱膨脹后的極間距離,即使水冷陽(yáng)極的支撐結(jié)構(gòu)件采用了標(biāo)準(zhǔn)尺寸,但極間距離的大小仍是變數(shù)。大部分情況下,陰、陽(yáng)極間距是大于0.3mm的。

　　本文通過(guò)CAD進(jìn)行的一系列的電場(chǎng)、電子軌跡模擬計(jì)算,計(jì)算分為加陰極護(hù)環(huán)與不加陰極護(hù)環(huán)兩種,其電位分布及電力線(xiàn)分布如圖4 所示,說(shuō)明一定范圍下極間距離變化對(duì)電場(chǎng)分布的影響不是很大,而且加不加陰極護(hù)環(huán)在滿(mǎn)足陰極發(fā)射性能比對(duì)上是基本不受影響的。純粹從極間距上考慮,極間距的不一致并不能影響空間電荷區(qū)的斜率,也不能影響拐點(diǎn)電流密度,但是極間距過(guò)大,使得必須加更高的電壓才能測(cè)試到拐點(diǎn),使陽(yáng)極耗散功率過(guò)大,使陽(yáng)極放氣,甚至燒毀陽(yáng)極。

2.2、極間平行度的影響

　　進(jìn)行二極管測(cè)試裝架,因?yàn)閼?yīng)用的平板二極管結(jié)構(gòu),極間平行度是必須考慮的問(wèn)題。但是在實(shí)際工作中絕對(duì)平行是不可能達(dá)到的,因此就應(yīng)考慮不能達(dá)到絕對(duì)平行,對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。極間不平行,造成極間各點(diǎn)的距離不一致,使得極間電場(chǎng)不一致。根據(jù)二分之三定律,陽(yáng)極上接受到的電流與極間距有關(guān),但是通過(guò)疊加計(jì)算,即對(duì)極間距進(jìn)行細(xì)分,計(jì)算每一個(gè)極間距上陽(yáng)極收集到的電流;為了使計(jì)算簡(jiǎn)單,把極間距分為10 個(gè)部分,每部分極間距相等,計(jì)算各部分陽(yáng)極電流,得出陽(yáng)極總電流。根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn):在空間電荷區(qū),任何平行度都不影響測(cè)試斜率,即無(wú)論是否平行測(cè)試斜率都是1.5 ,但是會(huì)影響空間電荷區(qū)與溫度限制區(qū)的過(guò)渡,如使過(guò)渡區(qū)變長(zhǎng)。

　　式(2) 中, ( a X + b) 表示極間距,是X 的函數(shù); x1 , x2是陽(yáng)極接受區(qū)的寬度;L 是陽(yáng)極接受區(qū)的長(zhǎng)度,d x ×L 即收集微區(qū)的面積, 面積歸一化處理后, L = 1 。式(2) 變?yōu)?

　　可以看出,在空間電荷區(qū),斜率依然為3/2 ,與平行度無(wú)關(guān)。

2.3、熱脹冷縮效應(yīng)

　　在二極管測(cè)試過(guò)程中,尤其是在連續(xù)波測(cè)試大電流密度時(shí),電子冷卻效應(yīng)就不能忽略。電子冷卻效應(yīng)造成熱脹冷縮結(jié)果,在測(cè)試過(guò)程中,陰極與陽(yáng)極之間的距離發(fā)生變化,造成導(dǎo)流系數(shù)變化,從而使空間電荷區(qū)的斜率下降。其模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5 。但是這個(gè)結(jié)果可以解釋為什么連續(xù)波(直流) 測(cè)試時(shí)斜率更低,因?yàn)樵谶B續(xù)波測(cè)試時(shí),支取的電流越大,其電子冷卻效應(yīng)就越明顯,即陰極溫度越低,這就造成極間距變大,從而造成導(dǎo)流系數(shù)變化,使得空間電荷區(qū)的斜率小于理論值。但這并不能解釋脈沖測(cè)試,尤其是小工作比時(shí)空間電荷區(qū)斜率偏低的原因,因?yàn)檫@時(shí)電子冷卻效應(yīng)基本可以忽略。