在反射三极管实验平台上,通过浸渍碘化铯(CsI)碳纤维阴极与不锈钢阴极实验对比,研究了碳纤维阴极对虚阴极振荡器输出微波脉宽及能量的影响.实验得出碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波脉宽约200 ns,较不锈钢阴极虚阴极振荡器增加了30%;对输出微波脉宽面积近似积分,得出碳纤维阴极虚阴极振荡器与不锈钢阴极虚阴极振荡器的输出微波脉宽面积比值约为2.273,表明碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波能量是不锈钢阴极虚阴极振荡器的2倍左右.分析认为碳纤维阴极的材料特性及其综合发射机制导致阴阳极间等离子体膨胀速度及温度降低,延缓了阴阳极间隙的闭合,从而增加了输出微波脉宽,提高了微波输出能量.

研究了具有一定导电性能的碳纤维的直流场致发射电子束特性,实验分别在大气环境、低真空(10-1 Pa)及高真空(10-5 Pa)环境下进行.实验结果表明,碳纤维具有一定的场致发射能力,并且发射特性和发射环境的真空度密切相关.在大气环境下,发射电子束流与所施加的电压符合Fowler-Nordheim关系,当电压为7 kV,电流为61.4 μA时,根据Fowler-Nordheim定理推算出碳纤维场致发射场增强因子为3.75×105.在低真空条件下阳极只收集到微弱的电流;在高真空条件下,阴极发射明显,在较低电压下就能观测到阳极电流,放电前阳极最高电流是大气条件下的3～4倍,发射的束流大小和所施加在尖端的电压关系接近Child-Langmiur定律.

分别用自制浸渍碘化铯(CsI)针式环状碳纤维阴极和环状不锈钢阴极所产生的电子束轰击尼龙目击靶,研究碳纤维阴极发射均匀性.在碳纤维阴极电子束轰击的目击靶上得到了均匀的烧蚀痕迹,而不锈钢阴极电子束轰击的目击靶上烧蚀痕迹不均匀,表明碳纤维阴极发射电子束的均匀性优于不锈钢阴极.分析认为两阴极不同的发射机制及其所特有的材料性质和结构导致其发射电子束均匀性的差异.用光学显微镜和电子显微镜对不锈钢阴极尖端和碳纤维阴极尖端和侧面进行扫描,发现不锈钢阴极仅尖端处被烧蚀,而碳纤维阴极尖端和侧面都有烧蚀痕迹,验证了碳纤维阴极由场发射和表面闪络共同作用的发射机制的假设分析.

建立了金属阴极和碳纤维阴极的电子发射机制模型,发射后的阴极和碳纤维阴极的微观照片证实了模型的正确性.实验结果与分析表明:一种优化的阴极应该具备多种电子发射机制,整个阴极的电子发射更均匀,碳纤维阴极的电子发射不仅具有尖端的场发射,而且伴随着侧向的表面闪络(随纹).此外和金属阴极相比较,处理后碳纤维阴极具有较慢的等离子体膨胀速度(≤1 cm/μs)并使该实验用微波源具有较宽的微波脉冲输出(≥200 ns).