阴极平板二极管测试状态分析

　　在阴极测试工作中,常常选择水冷阳极的近距二极管结构进行测试,但是在实际测试过程中有较多的测试结果与理论推导是有出入的。尤其是导流系数的在空间电荷区的变化,本文就可能的原因进行讨论和分析,并通过一些计算模拟对测试结果进行解释。

　　阴极作为大功率真空器件的核心,为满足各类器件的要求而不断更新发展,从最早的纯金属阴极到目前广泛应用的各类扩散阴极。为评估性能,阴极必须安装在一定的测试载体中,目前广泛采用的测试载体通常有两种,一种是专用电子枪,需要较复杂的测试系统,测试成本较高,实施起来有一定难度;另一种常用的测试载体即常说的水冷阳极二级管,结构简单,测试系统容易搭建,较容易实现;但是因为其结构的不一致性等问题,多数人对这种测试结果持保留态度。由于水冷阳极二级管结构简单,测试容易,在实际研究工作依然得到了广泛应用。二极管的伏安特性是评估阴极性能常用方法,通过二极管的伏安特性曲线可以给出阴极的最大发射电流密度。但是在绘制伏安特性曲线时发现,空间电荷区斜率小于理论计算值1.5 ,即不符合二分之三次方定律。下面就这个问题进行分析和讨论。

1、二极管结构及测试系统

1.1、二极管结构

　　测试二极管采用的水冷阳极结构,如图1 所示。外壳为玻璃结构,阳极为无氧铜,可以承受较大的功率, 最大可至200W;发射体为平面,阴极与阳极面组成平板二极管结构。

图1 　标准水冷阳极二极管　　图2 　二极管测试原理图

1.2、测试系统

　　测试系统由三部分组成:测试二极管,测试电源,电压电流及温度采样。测试电源分为两种,一是直流电源,产生直流高压,支取的电流也是直流。另一种电源为脉冲式,产生脉冲高压,支取脉冲电流。电流电压采样在直流测试时使用一般电表就可以完成。在脉冲测试时采用可以读数或测量的示波器采集数据,温度一般采用亮度高温计测量。图2 为二极管测试原理图。

1.3、典型的测试结果

　　图3为实际测试所得的典型的阴极伏安特性曲线,该阴极为覆锇(Os) 膜的铝酸盐阴极,阴极直径为3mm ,阴极工作温度(亮度温度) 为1050 ℃,采用脉冲方式测试,脉冲宽度为5μs ,重复频率500 Hz 。通过观察其伏安特性曲线可以发现,其拐点电流密度为29.33 A/cm2 ,可以说其发射能力相当可观,但是其在空间电荷区的斜率仅为1.34 ,也是说在空间电荷区内,其导流系数一直在变化,即逐渐变小。到底是什么原因造成导流系数一直在变小呢?

图3 　典型的二极管伏安特性曲线　　图4 　不同极间距的电场计算模拟

2、可能的原因分析

2.1、极间距的影响

　　首先水冷阳极近距二极管为玻璃结构,装架过程采用人工控制,其距离和平行与否都是通过人眼观察,这就造成极间距,及阴阳极的平行度等都存在较大的变数。多数文献在介绍平板二极管结构时都指出,当阴、阳极间距与阴极直径之比小于011 时,极间电场分布可以近似为理想的无限大平板二极管。我们目前的实验阴极直径为标准的3 mm ,为满足理想的平板二极管的要求,阴、阳极间距应小于0.3mm ;但在实际工作中,由于在装配时完全凭经验来保证阴极热膨胀后的极间距离,即使水冷阳极的支撑结构件采用了标准尺寸,但极间距离的大小仍是变数。大部分情况下,阴、阳极间距是大于0.3mm的。

　　本文通过CAD进行的一系列的电场、电子轨迹模拟计算,计算分为加阴极护环与不加阴极护环两种,其电位分布及电力线分布如图4 所示,说明一定范围下极间距离变化对电场分布的影响不是很大,而且加不加阴极护环在满足阴极发射性能比对上是基本不受影响的。纯粹从极间距上考虑,极间距的不一致并不能影响空间电荷区的斜率,也不能影响拐点电流密度,但是极间距过大,使得必须加更高的电压才能测试到拐点,使阳极耗散功率过大,使阳极放气,甚至烧毁阳极。

2.2、极间平行度的影响

　　进行二极管测试装架,因为应用的平板二极管结构,极间平行度是必须考虑的问题。但是在实际工作中绝对平行是不可能达到的,因此就应考虑不能达到绝对平行,对测试结果的影响。极间不平行,造成极间各点的距离不一致,使得极间电场不一致。根据二分之三定律,阳极上接受到的电流与极间距有关,但是通过叠加计算,即对极间距进行细分,计算每一个极间距上阳极收集到的电流;为了使计算简单,把极间距分为10 个部分,每部分极间距相等,计算各部分阳极电流,得出阳极总电流。根据计算结果发现:在空间电荷区,任何平行度都不影响测试斜率,即无论是否平行测试斜率都是1.5 ,但是会影响空间电荷区与温度限制区的过渡,如使过渡区变长。

　　式(2) 中, ( a X + b) 表示极间距,是X 的函数; x1 , x2是阳极接受区的宽度;L 是阳极接受区的长度,d x ×L 即收集微区的面积, 面积归一化处理后, L = 1 。式(2) 变为:

　　可以看出,在空间电荷区,斜率依然为3/2 ,与平行度无关。

2.3、热胀冷缩效应

　　在二极管测试过程中,尤其是在连续波测试大电流密度时,电子冷却效应就不能忽略。电子冷却效应造成热胀冷缩结果,在测试过程中,阴极与阳极之间的距离发生变化,造成导流系数变化,从而使空间电荷区的斜率下降。其模拟计算结果见图5 。但是这个结果可以解释为什么连续波(直流) 测试时斜率更低,因为在连续波测试时,支取的电流越大,其电子冷却效应就越明显,即阴极温度越低,这就造成极间距变大,从而造成导流系数变化,使得空间电荷区的斜率小于理论值。但这并不能解释脉冲测试,尤其是小工作比时空间电荷区斜率偏低的原因,因为这时电子冷却效应基本可以忽略。