金屬-鐵電陶瓷沿面陰極三相點電場分析

馬 勛，劉宏偉，姜 蘋，袁建強，王凌云

（中國工程物理研究院 流體物理研究所 中物院脈沖功率科學與技術重點實驗室, 四川 綿陽 621900）

金屬-鐵電陶瓷沿面陰極三相點電場分析

馬 勛，劉宏偉，姜 蘋，袁建強，王凌云

（中國工程物理研究院 流體物理研究所 中物院脈沖功率科學與技術重點實驗室, 四川 綿陽 621900）

為了降低金屬-鐵電陶瓷沿面陰極發射閾值，開展了影響其三相點電場分布因素的研究。從金屬鐵電陶瓷結構參數、在二極管中的相對位置出發分析了其與三相點電場關系。研究表明采用較薄的電極和鐵電陶瓷，以及較短的沿面距離可以獲得三相點電場的加強，相比雙電極結構，單電極可以獲得顯著的三相點電場畸變。

陰極；重復頻率；爆炸發射；閃光照相

閃光X光機是流體動力學實驗中必不可少的診斷工具，被廣泛應用于研究各種沖擊加載下物質內部結構的瞬態現象，如彈丸在膛內的運動,破甲射流的形成及對目標的侵徹過程 ,帶殼戰斗部破片的形成 ,炸藥及火工品的爆炸過程及結構設計等方面的研究等[1]。隨著研究的深入，迫切需要重頻X光機以建立不同時刻閃光照相實驗數據的物理關聯。

具有重頻發射能力的爆炸發射陰極是實現高重頻X光機的技術基礎，其中金屬-鐵電陶瓷沿面陰極是可能的一種實現途徑[2]。金屬-鐵電陶瓷沿面陰極發射閾值與其三相點電場分布密切相關，通過靜電場分析程序，研究了陰極結構參數對三相點電場分布的影響，獲得了三相點電場加強的方法。

1 基本理論

二極管是脈沖X光機的核心單元，在高壓脈沖作用下產生電子束并使其在陽極靶上聚焦，從而產生韌致輻射。其中，工業冷陰極二極管因其結構簡單，焦斑質量高，在爆轟實驗中被認為是較為理想的低能閃光照相光源[3-4]，一般由圓環金屬作為陰極，高原子序數金屬材料（如鎢、鉬等）作為陽極，當足夠幅值的正極性高壓脈沖加載在陽極桿上時，在電場作用下陰極發射電子并與陽極發生軔致輻射產生X射線，其基本結構如圖1所示。

圖1 工業冷陰極二極管Fig. 1 Industrial X-ray diode

由于其拉莫爾半徑遠大于電極間距，因此電流滿足child-Langmuire給出的空間電荷限制流，如下式[5]：

式中，V二極管電壓，mV;I電流，kA；Z阻抗，Ω。Rc，Ra分別指陰極半徑，陽極半徑，mm；k為與結構有關的參量。

實現X光機的重頻運行的基礎是實現具有重頻發射能力的陰極。影響陰極發射重復頻率的因素有[2]：

1 )陰極材料氣化熱。需尋求蒸發量小、蒸氣擴散快的陰極材料；

2 )陰極電子發射均勻度。以等離子體擴散速度(vp)或者陰極耀斑分布來衡量。

3)陰極材料比熱容及散熱速率。提高陰極表面電子發射區域溫度恢復速度，探索更有利于散熱的結構。

利用金屬-陶瓷-真空三相點具有較低發射閾值特性，結合沿面閃絡的機制，在陶瓷表面形成均勻發射電流的等離子體是實現重頻陰極的一種技術途徑，文中提出一種金屬-鐵電陶瓷沿面陰極，替代普通工業冷陰極二極管的金屬陰極，基本結構如圖2所示。

圖2 金屬-鐵電陶瓷沿面陰極Fig. 2 The configuration of metal-ceramic flashover cathode

圖中，Φa為陽極桿直徑，Φc為鐵電陶瓷的孔徑，df為金屬電極與鐵電陶瓷內孔邊緣距離，Wc為鐵電陶瓷厚度，Wm為金屬電極厚度，dt為陽極桿伸出鐵電陶瓷孔的距離。通過研究這些參數對三相點電場分布的影響，可以獲得加強三相點電場的方法。

2 三相點電場分析

為了使物理模型簡化，靜電場分析先分析僅在鐵電陶瓷右側布置金屬電極的情形。陽極桿加載電壓200 kV，金屬接地，陽極桿直徑3 mm，鐵電陶瓷孔徑10 mm。由于三相點電場加強的物理本質是介電材料導致的電荷積累，以及微觀區域的非理想性[6]，通過靜電場分析獲得其準確的電場分布是較為困難的，本文通過研究三相點鄰近區域宏觀電場分布，探索提高三相點電場分布的方法。

2.1 沿面距離對三相點電場的影響

分析模型使用的參數為：Wc=1 mm，電極邊緣倒圓半徑r=1 mm，陶瓷介電常數ε=2 000，Wm=1 mm，dt=30 mm。三相點總電場與沿面距離df的關系如圖3所示。

隨著df的增大，三相點電場呈指數下降趨勢，金屬電極倒圓半徑r表面電場近似線性下降。沿面距離df＜1 mm可以獲得顯著的三相點電場加強。當df=0 mm時三相點電場可以達到200 kV/cm。

2.2 鐵電陶瓷介電常數對三相點電場的影響

分析模型使用的參數為：Wc=1 mm，電極邊緣倒圓半徑r=1 mm，df=1 mm，Wm=1 mm，dt=30 mm。三相點總電場與陶瓷介電常數ε的關系如圖4所示。

圖3 三相點電場與沿面距離的關系Fig. 3 The relation between triple joint electric field and flashover distance

圖4 三相點電場與陶瓷介電常數的關系Fig. 4 The relation between triple joint electric field and relative permittivity

隨著陶瓷介電常數ε的增大，三相點電場呈指數下降趨勢。陶瓷介電常數ε[7]是材料在電場下極化程度的物理表征，ε越大，則單位面積材料表面極化電荷密度越大。因此，其對三相點電場的影響與結構緊密相關。

2.3 鐵電陶瓷厚度對三相點電場的影響

分析模型使用的參數為：Wc=1 mm，電極邊緣倒圓半徑r=1 mm，df=1 mm，ε=1 000，dt=30 mm。三相點總電場與鐵電陶瓷厚度Wm的關系如圖5所示。

圖5 三相點電場與陶瓷厚度的關系Fig. 5 The relation between triple joint electric field and ceramic width

模擬中陶瓷厚度Wm由2 mm逐漸增大至6 mm,三相點電場隨Wm的增大而指數下降。可見，采用較薄的鐵電陶瓷可以獲得較高的三相點電場。

2.4 陽極桿伸出鐵電陶瓷孔的距離對三相點電場的影響

分析模型使用的參數為：Wc=1 mm，電極邊緣倒圓半徑r=1 mm，df=1 mm，ε=1000，Wm=2 mm。三相點總電場與陽極桿伸出鐵電陶瓷孔距離dt的關系如圖6所示。

圖6 三相點電場與陽極桿伸出陶瓷孔距離的關系Fig. 6 The relation between triple joint electric field and dt

模擬中dt從0到30 mm變化，其中為陽極桿前端位置與陰極孔齊平。隨著dt的變大，因陽極桿尖端電場加強效應減弱，三相點電場也逐步變小。

2.5 金屬電極厚度對三相點電場的影響

分析模型使用的參數為：df=1 mm，ε=1 000，Wc=2 mm，Wc=1 mm，dt=30 mm。電極邊緣倒圓半徑r=Wm。三相點總電場與金屬電極厚度Wm的關系如圖7所示。

圖7 三相點電場與陶瓷厚度的關系Fig. 7 The relation between triple joint electric field and metal electrode width

電極厚度Wm從1 mm至5 mm，隨著Wm的增大，由于電極邊緣電場加強效應減弱，三相點電場也隨之減弱，采用較薄的金屬電極可以獲得較大的三相點電場。

2.6 電極結構對三相點電場的影響

分析模型使用的參數為：df=1 mm，ε=1 000，Wc=2 mm，Wc=2 mm，dt=30 mm，Wm=1 mm，電極邊緣倒圓半徑r=1 mm。在陶瓷兩側布置金屬電極，其電場分布如圖8所示。

上、下兩個三相點的電場相當，約在18 kV/cm。而采用單電極布局結構，即金屬電極位于鐵電陶瓷靠近陽極桿前端側面的方式，采用與圖8相同的模擬參數，其三相點電場達到了160 kV/cm。雙電極結構的屏蔽作用是三相點電場減小的主要原因。

3 結 論

圖8 三相點電場與電極結構的關系Fig. 8 The relation between triple joint electric field and electrode configuration

三相點電場分布直接影響到金屬-鐵電陶瓷沿面陰極電子發射特性。而陰極結構參數及其在二極管中的相對位置是影響三相點電場的主要因素。采用較短的沿面距離，較薄的鐵電陶瓷厚度和金屬電極厚度，減小陽極桿伸出鐵電陶瓷孔徑的距離能明顯加強三相點電場。除此之外，相比于在鐵電陶瓷兩側布置金屬電極，僅在鐵電陶瓷靠近陽極桿前端側面布置電極可以獲得近10倍的三相點電場加強。因鐵電陶瓷其表面極化電荷對實際三相點微觀間隙電場的加強，大多數情況下隨著絕緣材料介電常數增大三相點更易引發擊穿，雖采用高介電常數鐵電陶瓷在金屬-鐵電陶瓷沿面陰極特殊構型中獲得較小的宏觀三相點電場，但其與三相點發射閾值關系仍需要實驗驗證。

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Analysis of metal-ceramic fl ashover cathode’s triple joint electric fi eld

MA Xun, LIU Hong-wei, JIANG Ping, YUAN Jian-qiang, WANG Ling-yun
（Key Laboratory of Pulsed Power, Institute of Fluid Physics, CAEP, Mianyang 621900, China)

In order to decrease metal-ceramic flashover cathode’s electron emission voltage, it is essential to study the factors which affect the cathode triple joint’s electric field. Analyze the relations between electric field and cathode’s configuration, diode’s framework, and so on. The results show means of increasing triple joint electric filed include that thinning metal electrode and ceramic, shorting flashover distance, replacing double metal electrode with single electrode.

cathode; repetition; explosive electron emission; flash radiography

TM836

A

1674-6236(2014)14-0177-03

2013–09–13 稿件編號：201309095

國家自然科學基金青年基金項目(51207147)；中國工程物理研究院科學發展基金項目(2012B0402054)

馬 勛(1981—)，男，四川金堂人，博士研究生，副研究員。研究方向：脈沖功率技術。