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用于高功率微波管的碳纳米管场发射冷阴极研究

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碳纳米管以其优异独特的场发射性能得到广泛的研究。碳纳米管冷阴极具有大电流密度、低开启电压、快速响应等优点，并且有良好的场发射特性、高导电导热特性、耐高温和粒子轰击等特点，是高功率微波管冷阴极场发射的理想材料。随着高功率微波真空电子器件向小型化、高效率和高频率发展，采用碳纳米管作为阴极材料可以满足真空电子器件发展的需要。本论文主要研究如下：
　　1.碳纳米管冷阴极场发射性能的仿真和计算。由于碳纳米管具有场发射增强效应和屏蔽效应，通过离子仿真软件计算得到了最优的长径比，以提高场发射增强效应。为了降低屏蔽效应对场发射的影响，通过计算对比得到了最优的碳纳米管阵列间距，并计算出碳纳米管阵列发射面积，以满足电子枪对场发射电流的需要。
　　2.本论文研究了等离子体化学气相沉积法制备大面积碳纳米管阴极的工艺流程和生长条件，采用自主设计的PECVD系统在硅片和钼片上生长出了大面积的碳纳米管，通过扫描电镜和拉曼光谱测试，根据碳纳米管的生长形貌和缺陷性调整工艺流程和生长条件。为了得到更大的场发射电流，研究了湿法纺丝工艺制备碳纳米管纤维作为场发射材料，得到了一套自主创新的湿法纺丝制备碳纳米管纤维的工艺流程和装置。
　　3.碳纳米管冷阴极的场发射性能测试。通过自主研发的场发射测试系统对生长的碳纳米管冷阴极样品进行场发射性能测试。分别研究了不同生长温度和时间条件对碳纳米管的形貌和场发射性能的影响，得到了最佳生长时间和生长温度。研究了碳纳米管纤维的场发射性能，对比得到了碳纳米管纤维的场发射性能优于PECVD法制备的碳纳米管阴极材料。
　　4.碳纳米管冷阴极电子枪组件的仿真设计和制备。根据行波管的结构和皮尔斯电子枪理论，在CST软件中仿真碳纳米管场发射阴极组件结构模型，根据碳纳米管场发射实测参数拟合得到碳纳米管场发射FN公式，仿真研究了阴极组件中电子枪场发射电子束汇聚性能。依据电子枪组件仿真模型，加工得到了碳纳米管冷阴极电子枪组件样品；对电子枪组件样品进行场发射性能测试，得到脉冲场发射电流、阈值场强和电流密度等性能参数；测试结果与仿真设计大致吻合。

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