强流电子束二极管是强脉冲辐射环境模拟装置和高功率微波技术中的重要研究方向, 通过时间分辨光谱诊断研究阴极等离子体的特性是分析强流脉冲电子束二极管工作性能的可靠方法之一。 介绍了具有纳秒级时间分辨能力的光谱诊断系统及其工作原理、 系统组成和性能参数, 并阐述了低抖动同步触发系统的实现方法和时序关系。 同时, 针对强脉冲辐射模拟装置产生的强脉冲电磁辐射和强X、 γ射线辐射对光谱诊断系统造成严重干扰的情况, 设计了电磁屏蔽室和铅屏蔽室对诊断系统进行保护。 对黄铜阴极的等离子体进行时间分辨光谱测量, 实验结果表明, 随着二极管脉冲电压和电流的上升, 参与形成阴极等离子体的元素和物质成分明显增多。 该光谱诊断系统的时间分辨能力为10 ns, 最小可达2 ns, 同步触发系统的抖动小于4.0 ns, 为深入研究二极管的阴极发射机理开辟了新的技术途径。

分析了二极管中爆炸发射产生阴极等离子体的演化特征，在考虑了阴极等离子体朝阳极膨胀运动使二极管阴阳极间距缩短这一效应的同时，还计入了阴极等离子体沿发射表面径向扩展运动对二极管有效发射面积的影响。基于Child-Langmuir定律，利用在一个四脉冲强流电子束源装置上得到的电流、电压等实验数据，假定阴极等离子体轴向膨胀和径向扩展速度近似相等，研究了阴极等离子体的膨胀扩展动力学行为。计算结果表明，阴极等离子体朝阳极的膨胀和沿径向的扩展速度为0.9～2.8 cm/μs。

模拟了强流电子束源阴极表面附近区域数密度约1014 cm-3的等离子体的膨胀过程，观察到等离子体膨胀速度约为1 cm/μs。通过观察不同时刻阴极附近电子和离子的相空间分布、数密度分布和轴向电场分布，分析了等离子体膨胀过程。结果表明:等离子体的产生使得阴极表面电场增强，进而增大阴极的电流发射密度，电流密度增加使得空间电荷效应增强，并使等离子体前沿处的电场减小，当等离子体前沿处的电场减小到零时等离子体向阳极膨胀。讨论了等离子体温度、离子质量、束流密度和离子产生率对等离子体膨胀速度的影响。结果表明:等离子体的膨胀速度随着等离子体温度升高而增大，随离子质量增大而减小，但膨胀速度不等于离子声速；等离子体产生率越小，等离子体膨胀速度越小。

采用多孔板并结合电子束在石英片相互作用产生的契仑柯夫辐射,对以天鹅绒为阴极发射的强流多脉冲电子束发射度和亮度进行了实验研究和测量。实验观测到了有外加磁场条件下的电子束发生旋转现象。对于电子能量为600 kV左右的电子束,多孔板处的磁场小于2.7 mT时,电子束元的偏离已经小于2°。分别测量了天鹅绒阴极发射的强流四脉冲电子束和双脉冲电子束的积分亮度,分别为7.5×107 A/(m·rad)2和4.14×108 A/(m·rad)2。结果表明,双脉冲电子束的积分亮度明显优于四脉冲电子束的积分亮度,进而验证了阴极等离子体对多脉冲电子束亮度具有重要影响,降低了电子束的品质。

为了进行强流多电子束源研究,对现有2MeV LIA 注入器进行了四脉冲改造,二极管脉冲电压约500kV.实验研究了天鹅绒阴极在四脉冲条件下的发射能力、传导电流负载效应以及阴极等离子体运动对阴极电子发射和束能量的影响.利用空间电荷限制流模型推算出阴极等离子体膨胀速率在1～4cm/μs之间.