高电流低气压等离子体阴极电子设计与实验

强激光与粒子束

HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS

Vol.18，No.2 Feb.，2006

文章编号： 1001-4322（2006）02-0235-06

高电流低气压等离子体阴极电子设计与实验

谢文楷， 黎晓云， 王 彬， 蒙 林， 鄢 扬， 高昕艳（电子科技大学高能电子学研究所，成都610054）

*

摘 要： 设计了一种新型的高功率低气压等离子体电子。基于空心阴极效应和低压辉光放电原理与经验，确定了空心阴极、加速间隙、工作气压范围等。提出关于等离子体阴极电子产生高功率、高密度电子束源的整体方案。分别在连续馈气和脉冲馈气条件下进行实验测试，得到放电电流、收集极电流与气压、脉宽及调制器电压的关系。实验获得电子的典型放电电流为150～200A，脉宽60µs；传输电子束达到30～80A，长脉冲电子束源，特别适脉宽60µs。该结果表明该新型等离子体阴极电子可以取代材料阴极作为大电流、用于等离子体加载微波管。

关键词： 高功率微波； 等离子体； 等离子体阴极电子； 辉光放电； 空心阴极 中图分类号： O462； O463； TN101； TN128 文献标识码： A

发展高功率微波技术的关键器件是高功率电子。常规的高功率电子使用典型的热阴极或场致发射阴极作为电子源。热阴极电子可提供长脉冲宽度甚至连续工作，但是通常具有有限电流密度（典型值为10～20mA/cm2）、高热子功率和有限的寿命。场致发射电子提供高电流密度，但是仅为短脉冲长度（典型值小于等于1µs），因为等离子体闭合加速间隙。此外，这两种常规电子都因来自固有或由电子束产生的等离子体

的离子轰击易严重退化。

近年来的研究表明，空心阴极等离子体电子能产生高电流长脉冲的电子注。文献［1］展示了一种在激光腔体中控制放电气体的电子，等离子体电子由高压辉光放电产生。文献［2-3］进一步给出了几类独特的高电流、低压等离子体阴极电子的特性和实验结果。

等离子体阴极电子（PCE-gun）使用惰性气体（典型的如氦气）低压空心阴极放电产生的等离子体作为电子源，以高导流、多孔径栅格结构来提取和加速电子以形成电子注。PCE-gun低压电离脉冲控制在源区的等离子体密度以避免等离子体闭合加速间隙，并提供高电流密度（大于20A/cm2）和长脉冲（大于100µs）。此外，多孔径栅格产生高导流系数电子注（大于10µp），因为每一孔径的导流系数在形成最终的电子注中是简单相

［4-6］加的。

等离子体阴极电子可应用于激光器、大规模集成电路的电子束曝光以及多种高功率微波器件，尤其是已

［7］成功应用于等离子体辅助慢波振荡器。等离子体可辅助电子注通过微波互作用区，并可改善电子注同电磁

结构的耦合，以得到更高的器件效率，等离子体阴极则使回轰的高能离子对阴极的破坏降低到最小。等离子体阴极电子产生电子注的独特方法正好满足等离子体加载微波管的种种要求。为此，我们设计了高电流、低气压等离子体阴极电子，并进行了较细致的实验。

1 电子设计

1.1 空心阴极

等离子体阴极电子主要采用的是空心阴极，并利用空心阴极的放电特性来产生电子束。将阴极制成圆筒空腔，即所谓空心阴极，形成一种特殊形式的辉光放电，阴极区、负辉区都被包括在阴极空腔的内部，并使负辉区相互重叠，其放电电流密度比平板结构阴极的正常辉光放电显著增大，这种放电现象称为空心阴极效应。 在一定气压下，空心圆筒阴极的半径必须大于阴极暗区的厚度。有人在氖气、钼阴极的空心阴极放电中总结出

2005-01-08； 修订日期：2005-12-06*收稿日期：

基金项目：国家自然科学基金资助课题（60401006）；大功率微波电真空器件技术国家级重点实验室基金资助课题

作者简介：谢文楷（1945—），男，四川省中江县人，硕士，教授、博士生导师；从事等离子体加载微波器件理论及实验研究工作；

wkxie@uestc.edu.cn。

236强激光与粒子束第18卷

1.33Pa・m式中：d为圆筒阴极直径；p为所充气体压强。

（1）

空心阴极由金属构成，较可取的是非磁化金属，例如殷钢、钼、钽或铬。这些材料的二次电子发射率适合空心阴极辉光放电。阴极的高二次电子发射率放电可通过光氧化物或化学性质活泼的金属，例如铝、铍和铝镁合金蒙皮阴极表面来取得。并用微量的氧气，典型的大约2.66×10-2Pa掺杂填充气体，以便在空心阴极内表面形成金属氧化物薄层。它可以降低功函数，并增大二次电子发射率。较高的发射率可以显著增加离化率，允许在较低气压下产生高密度等离子体。

空心阴极要求填充在需要的压强下能离化的气体，可使用氢和氖，但氦被优先选择，因为它有承受高电压的能力。

维持活性丝插入空心阴极，负偏压大约为1kV，以维持脉冲间低电流（大约10mA）连续放电，以至高电流放电脉冲可以被小的起伏触发。

电离阳极栅具有高的光学透明度（大约80%），但又具有较小的孔径，以避免等离子体穿过栅的通道。一方面，通过该栅从等离子体中提取电子注；另一方面，借助于电离脉冲器控制等离子体的密度以及约束栅和空腔内的等离子体，产生长持续时间放电脉冲，并避免在高电压下短路放电。

典型空心阴极设计参数如下：阴极材料为不锈钢，阴极空腔尺寸为Ф79mm×90mm+Ф68mm×42mm；电离阳极材料为钼，尺寸为Фmm×3mm，163孔（Ф3.0mm）六角形阵列均匀排布；维持活性丝为钨丝，Ф3mm×36.4mm；维持活性电压为1～2kV；电离脉冲器电压小于5kV；工作气体为氦气，压强0.13～0.66Pa。 在本设计中，气体压力保持在一个恰当的水平上，既要避免电子中电压击穿，又要能得到足够的离子来中和电子束的空间电荷电位下沉。1.2 阴-阳极间隙

电离阳极的作用如同高导流系数多孔径电子加速间隙的第一个“栅”或“阴极”；加速间隙的第二个栅，即束阳极或加速阳极，具有同第一个栅精密符合的孔径。电子注通过第一栅从等离子体中提取，并进入加速间隙。在加速阳极和电离阳极之间加直流高压电场，加速达到间隙的电子并在加速间隙后形成高电流电子注。 加速电场为场致发射及随后的高压击穿（大约100kV/cm）所，该电场也为Paschen击穿所。一般地，如果气体压强和间隙间距乘积（即pd值）不超过典型值40Pa・cm，则Paschen击穿可以避免。换句话说，我们使用的是Paschen曲线最小值的左支。

在非常高的电压下，可通过使用多级加速结构以避免Paschen击穿，其中总的阳极电压被以小间隙分隔开的若干阳极结构分压而梯度变化。

在本设计中，高导流系数（定义为I/V3/2，I是注空间电荷极限电流，V是阳极电压）是通过应用多孔径来实现的。电离阳极上的圆孔径的六角形阵列与加速阳极上的一个类似阵列精密对中，以至总的导流系数等于每个孔径的导流系数乘上孔径数。借助电子轨道跟踪计算机编码，考虑空间电荷场，电子光学可以进行计算和设计。阴极孔径出口、电离阳极和加速阳极的适当配置，得到电子注的对称几何聚焦，它们汇聚成单个圆截面电子注进入漂移管或微波管中。加速间隙之间的间距由避免真空击穿允许的最大电场、希望的工作电压以及间隙中的电流密度来确定。设E是设计的电场强度（大约为100kV/cm），而电流密度由一阶Child-Langmuir方程来确定，则来自电子的电流密度为

Je=PTV3/2/b2=PTEV1/2/b

是间隙两端的电压；b是间隙间距。

随着束电压增加，高压位进一步推进到等离子体中，收集放电电流的更大部分。这时，高压功率电源通过增加有效阳极位与放电相互作用，它增加放电电流和等离子体密度，但引起等离子体前端变为不稳定，也导致加速栅阻断和击穿。为避免出现这些问题，并增加PCE-gun可用的电流和电压，我们采用一个非常精良的光栅连接于电离阳极的背面。一方面该栅形成的部分透明电极定义了一个等离子体面，它决定和稳定加速平面的位置以使电子从同一位置（即光栅平面）进入加速区，于系统的电压和电流。这意味着设计的电子光学得以稳定。电子光学的变化增加加速栅对电子的截获，它可能导致击穿。另一方面，该栅提供等离子体放电过程和电子束提取过程之间的隔离。由此措施，可以稳定地实现电子从等离子体中的提取，使电子用任意的电压

（2）

式中：Je为孔径上的电子电流密度；P为电子导流系数（2.33×10-6perv）；T是多孔径栅阵列的有效通过率；V

第2期谢文楷等：高电流低气压等离子体阴极电子设计与实验237

和电流组合工作。

典型加速间隙设计参数如下：电离阳极为钼，尺寸为Ф80mm×3mm；阳极孔径为Ф3.4mm，163孔，六角

##

电子16.40mm可调，2（形阵列均匀排布；加速阳极与电离阳极相同；加速间隙间距为1（Ф3.40mm）Ф3.40mm）电子15.mm（可调）；加速电压为40～100kV；光栅为不锈钢，尺寸为Ф80mm×0.15mm，栅孔为Ф0.5mm，8587个孔（边长为32mm的正六边形内均匀配置）。1.3 总体设计

空心阴极等离子体电子作为新型高电流、低压电子束源，其总体结构装配如图1所示，其总体电气实验如图2所示。

直流高压电源通过一组电阻（20kΩ）在电离阳极与加速阳极之间形成一个高压（加速阳极为正），使电子加速通过加速间隙。并联支路上的一个开关和负载电阻（10kΩ）可以清零束直流电源。另一并联支路上的分压

电阻（10Ω）和电容（2.5µF）是束电源的能量储蓄器。一个撬棒电路与分压电阻（10Ω）相连接，以降低由于故

Fig.1 Plasma-cathodee-gun图1 等离子体阴极电子结构图

Fig.2 Schematiccircuitdiagramoftheexperimentoftheplasma-cathodee-gun

图2 等离子体阴极电子总体实验示意图

障引起的高电压通过电容存储器的电压。撬棒能在输出末端的能量超过预置的电压时通过低阻分流使其

［8］

。能量迅速降低

电离脉冲器加在空心阴极和电离阳极之间，放电脉冲使气体电离形成等离子体，空心阴极的等离子体密度、束电流密度、束电流的脉冲波形、脉冲宽度和脉冲重复率单独受电离脉冲器控制。电子产生的高电流电子束通过等离子体填充波导漂移段进入互作用慢波结构，不需要外加轴向聚焦磁场。

电子的馈气阀门与空心阴极相连接，馈气阀门的电源悬浮在50～150kV的负高压上，我们利用光纤对馈气阀门隔离控制以达到控制电子内气压的目的。整个馈气系统有连续和脉冲两种工作方式，其中脉冲工作方式可以实现电子区域与互作用区域所需的气压差；连续馈气则要求更低的工作压强。

2 实验测试

2.1 测试方法

等离子体阴极电子连接于由机械泵所组成的抽真空系统上。等离子体阴极电子的照片如图3所示。 测试调制器的输出电压波形，脉冲前沿为6.6µs，下降沿为15µs，平坦部分为60µs，平坦部分波动小于

5%。

测试维持活性电源的电流，在维持活性电压为2kV、空腔阴极氦气压强约为1Pa的情况下，测得的维持活且相当稳定。该结果证明在维持活性丝与空心阴极腔体间存在一个小电流的稳定放电。性电流约为10mA，

238强激光与粒子束第18卷

系统真空度和馈气气压的测试用安装于排管部件上的真空规进行。典型的电子系统真空度为（5～8）经150℃烘烤后，可达1.3×10-5Pa。压电阀连续工作将漂移区背景中性气体（氩气）压强控制在×10-5Pa，

也可采用压电阀（或电磁阀）脉冲馈气。控制气10-3Pa左右。空心阴极工作气体氦气可用压电阀连续馈气，体压力范围为10-1～10Pa，控制精度可达到0.01Pa。

空心阴极放电电流用调制器回路中串联环形排布并联小电阻（0.2Ω）取样测试，环形排布并联小电阻作为取样电阻是尽可能减小杂散电感对测试准确度的影响。在电子出口漂移区末端，用法拉第圆筒收集传输的电子束，经取样电阻（0.2Ω）接地，用数字存储示波器测量取样电阻两端的压降，即可得出电流波形和大小。

Fig.3 Photooftheplasmacathodee-gun

图3 等离子体阴极电子照片

Fig.4 Lowpressureglowdischarge

图4 低压辉光放电亮斑

2.2 连续馈气条件下的实验测试

在系统连续馈气情形下，通过光纤通信，电压控制压电阀，使阴极腔体真空度稳定于工作要求的气压，然后加维持活性及调制器电压，调制器可以单次或重复脉冲方式，进行空腔阴极放电实验。通过电子排管部件出口处的玻璃窗，观察到维持活性预放电点及辉光放电亮斑，其照片如图4。由此可以判断为辉光放电。 压电阀连续馈气典型放电测试结果如表1。

表1 压电阀连续馈气典型放电测试结果

Table1 Typicalresultofcontinuousfilled-ingasesdischarge（piezoelectricvalve）

keep-alivevoltage/kV

3

modulatorvoltage/kV

4.5

heliumpressure/Pa

1.8

dischargingcurrent/A

200

典型放电电流波形如图5所示。连续馈气电子放电电流与调制器电压的关系如图6所示。 压电阀连续馈气典型电子束测试结果见表2。收集极放电波形如图7所示。

Fig.5 Waveformoftypical

dischargingcurrent图5 典型放电电流波形

Fig.6 Currentofdischargevs

voltageofmodulator

图6 放电电流与调制器电压关系表2 压电阀连续馈气典型电子束测试结果

Fig.7 Waveformofcollectorˊscurrent图7 收集极电流波形

Table2 Typicalresultofcontinuousfilled-ingasese-beam（piezoelectricvalve）

keep-alivevoltage/kV

333

modulatorvoltage/kV

444

argonpressure/Pa

4×104×10

-4

heliumpressure/Pa

0.70.70.6

acceleratingvoltage/kV

404040

collectorcurrent/A

808080

4×10-4

-4

第2期谢文楷等：高电流低气压等离子体阴极电子设计与实验239

2.3 脉冲馈气条件下的实验测试

［9］

来产生任意宽度的脉冲（准确度0.1ms），对悬浮在负高压上的脉冲 利用自行研制的光控脉冲馈气系统

阀（压电阀或电磁阀）供电，以控制馈气压强。同时，以任意的时间延迟（精确度0.05ms）产生触发信号并提供给调制器，触发氢闸流管工作，从而输出脉冲调制信号给等离子体阴极电子，启动低压辉光放电。

表3为压电阀脉冲馈气电子典型放电测试结果。脉冲馈气典型电子放电电流波形如图8所示。脉冲馈气电子放电电流与调制器电压的关系如图9所示。

表4为压电阀脉冲馈气典型电子束测试结果。收集极波形如图10所示。

Fig.8 Waveformofdischargingcurrent

图8 放电电流波形

Fig.9 Currentofdischargevs

voltageofmodulator

图9 放电电流与调制器电压关系

表3 压电阀脉冲馈气电子典型放电测试结果

Fig.10 Waveformofcollectorˊscurrent

图10 收集极电流波形

Table3 Typicalresultofgases-puffdischarge（piezoelectricvalve）

delay/ms30251520

gases-puffpulsewidth/ms

29241419

voltageofpiezo-electricvalve/V

129129129129

keep-alivevoltage/kV

2222

modulatorvoltage/kV3.04...6

gasespressure/Pa0.400.440.280.36

currentoftube/A120140167154

表4 压电阀脉冲馈气典型电子束测试结果

Table4 Typicalresultofgases-puffe-beam（piezoelectricvalve）

delay/ms101010

gases-puffpulsewidth/ms

99delayedtrigger

voltageofpiezo-electricvalve/V

828278

keep-alivevoltage/kV

333

modulatorvoltage/kV

444

gasespressure/Pa

404040

collectorcurrent/A

808080

3 结 论

我们经过技术攻关，设计出一种新型的等离子体阴极电子。分别在连续馈气和脉冲馈气条件下进行电子放电实验和高压出束实验。在电极材料、空腔形状与容积、加速间隙、气体馈送压强、脉冲调制器电压等方面作了较深入细致的实验研究。电子典型放电电流已达到150～200A，脉宽60µs，传输电子束达到30～80

A，脉宽60µs。 研究表明，等离子体阴极可以取代材料阴极，作为一类新型的大电流、长脉宽电子束源，在某些HPM源中有应用潜力。参考文献：

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Designandexperimentofhigh-currentlow-pressureplasma-cathodee-gun

XIEWen-kai， LIXiao-yun， WANGBin， MENGLin， YANYang， GAOXin-yan

（InstituteofHighEnergyElectronics，UniversityofElectronicsScienceandTechnologyofChina，Chengdu610054，China） Abstract： Thepreliminarydesignofanewhigh-powerlow-pressureplasma-cathodee-gunispresented.Basedonthehollowcath-odeeffectandlow-pressureglowdischargeempiricalformulas，thehollowcathode，theacceleratinggap，andtheworkinggaspressurere-gionaregiven.Thegeneralexperimentaldeviceofthelow-pressureplasmacathodeelectron-gungeneratinghighcurrentdensitye-beamsourceisshown.Experimentshasbeendoneincontinuousfilled-ingasesandgases-puffcondition，andthedischargingcurrentof150～200A，thewidthof60µsandthecollectorcurrentof30～80A，thewidthof60µsareobtaind.Theresultsshowthatthenewplasmacathodee-guncantaketheplaceofmaterialcathodee-gun，especiallyinplasmafilledmicrowavetubes.

Keywords： Highpowermicrowave； Plasma； Plasma-cathodee-gun； Glowdischarge； Hollowcathode