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。