【摘要】：高功率微波源相對論返波管現(xiàn)用的石墨陰極存在發(fā)射電流低、材料放氣等問題,為滿足高功率微波系統(tǒng)對電子束質(zhì)量的要求,通過微波等離子體化學(xué)氣相沉積(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition,MPCVD)法,在異形石墨陰極表面涂覆氮摻雜超納米金剛石薄膜(Ultra-nano Crystalline Diamond,UNCD),對原始石墨陰極進(jìn)行改性處理。首先,在平面硅基體上探索以液態(tài)二乙胺和氫氣作為反應(yīng)氣源,探索各生長因素對制備的薄膜的微觀形貌和成分的影響規(guī)律,并分析了其電學(xué)性能和電子發(fā)射性能。然后將平面基底制備工藝參考運(yùn)用到異形石墨陰極,并將反應(yīng)氣源更換為三乙胺和甲醇的混合溶液和氬氣,在預(yù)先涂覆一層鎢過渡石墨陰極表面制備摻氮UNCD薄膜,形成石墨-鎢-金剛石復(fù)合陰極,最后系統(tǒng)分析改性石墨陰極的強(qiáng)流脈沖發(fā)射性能。研究結(jié)果表明:(1)在平面硅基體制備摻氮UNCD薄膜時,液態(tài)源通入量、薄膜沉積壓力及生長溫度均會使薄膜的微觀形貌和成分發(fā)生變化,其中生長溫度是影響薄膜的微觀形貌和組成的主要因素。(2)采用FESEM、Raman、XRD對不同生長溫度下制備的薄膜進(jìn)行了系統(tǒng)的表征,并采用常溫霍爾效應(yīng)測試和直流場發(fā)射測試分析其電學(xué)性能和電子發(fā)射性能。隨著生長溫度的增加,薄膜的微觀形貌從極細(xì)小的顆粒狀向垂直于基底的石墨烯片與金剛石顆粒復(fù)合體轉(zhuǎn)變,同時薄膜晶界處不利于導(dǎo)電的TPA相及無定形碳隨著基體生長溫度的增加轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電性能較好的sp~(2-)C相,相應(yīng)地薄膜的電導(dǎo)率從17Ω~(-1)·cm~(-1)增加至760Ω~(-1)·cm~(-1)。直流場發(fā)射測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)基體生長溫度從730℃升高至830℃時,在9.9 V/μm的電場強(qiáng)度下,電流密度由0.2 mA/3潂2增大至1.6 mA/3潂2。(3)通過在石墨陰極表面預(yù)沉積鎢過渡層,再在不同沉積時間、微波功率、生長溫度條件下制備了摻氮超納米金剛石涂層的石墨-鎢-金剛石復(fù)合陰極,與原始石墨陰極的強(qiáng)流脈沖電子發(fā)射性能對照測試結(jié)果表明:優(yōu)化工藝條件下獲得的復(fù)合陰極的電子發(fā)射性能和放氣性都得到了明顯的改善;同時,復(fù)合陰極的強(qiáng)流脈沖性能隨工藝條件不同發(fā)生改變,生長功率為1800 W,基體溫度在790℃,生長時間為2 h的改性石墨陰極的強(qiáng)流脈沖性能最佳,其束流密度為29.06 kA/cm~2,較原始石墨陰極提升了25%,放氣率最大可以降低62.5%。通過在石墨陰極表面涂覆摻氮UNCD薄膜有效提升了現(xiàn)用的石墨陰極發(fā)射電流并改善了石墨陰極的放氣性,為高功率相對論返波管尋找新的陰極材料提供了新的研究思路。
【學(xué)位授予單位】：西南科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33;O646.541
【圖文】：

1-1（a）H2和 CH4混合氣的相圖；（b）原子氫濃度對碳?xì)浠衔锵嗟挠癮）Thermal equilibrium phase diagram of H2and CH4mixture;（b）atomicconcentration effect on hydrocarbons phase1-1（a）可知，當(dāng)溫度高于 1500K 的區(qū)域，C2H2基團(tuán)濃度會趨的濃度會隨溫度的增長而持續(xù)增加。在 MPCVD 系統(tǒng)中，等約在 2500-3000K。因此，在等離子體集中區(qū)域物相以 C2H2基的溫度下（約生長基底的表面溫度），這種平衡顯的尤為重要心區(qū)域及其周圍到基體表面附近，溫度變化從 2500-3000K 降中的趨勢變化完美地解釋了發(fā)生在等離子體中的成分變化。這金剛石的生長，存在的濃度梯度是含碳基團(tuán)到達(dá)生長表面的驅(qū)子體中原子氫的存在，將會影響各種碳?xì)浠衔锘钚曰鶊F(tuán)的含區(qū)域原子氫與碳?xì)浠衔锘鶊F(tuán)的反應(yīng)將會朝降低原子氫的方向

經(jīng)過設(shè)備的改進(jìn)與技術(shù)的創(chuàng)新研備金剛石薄膜的技術(shù)，微波等離子體化學(xué)氣電，離化率高、電子活性大；2）微波放電可產(chǎn)生高密度的等離子體。其中包括高密度高速率的生長金剛石薄膜；3）腔體設(shè)計精可沉積均勻優(yōu)質(zhì)的薄膜；4）微波放電電壓控性高，相對而言操作簡單；5）微波放電反應(yīng)容器器壁接觸，有利于沉積制備高質(zhì)量是制備高質(zhì)量薄膜較為理想的技術(shù)。本課題中摻氮 UNCD 薄膜的沉積制MPCVD 裝置上完成。圖 2.1 為裝置實(shí)物圖生器、波導(dǎo)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)、控容器等組成。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2722146