Microstructure characterization and thermionic emission performance of barium-tungsten cathode
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摘要: 利用正交试验探讨了放电等离子技术工艺参数（温度、压力、保温时间）对钡-钨（Ba-W）阴极中的W的孔隙度的影响规律，获得了孔隙率在23%～30%内变化时所需要的最佳工艺参数。在此基础上，制备出了具有不同孔隙度的球形W基体和普通不规则的W基体。研究表明：球形多孔W颗粒间堆积、排列有序，无闭孔，孔径分布集中而均匀，在26.3%的孔隙度下中值孔径为1.41 μm；机械性能方面，球形钨粉基体维氏硬度低于传统普通不规则钨多孔体。在脉宽10 μs、频率1000 Hz的条件下，阴极脉冲发射电流密度随着孔隙度的增大，先增大后减小。当基体孔隙度为26.3%时，阴极电流发射密度最大，在1050 ℃，偏离点发射电流密度可达24.62 A/cm2，零场发射电流密度为7.62 A/cm2，功函数为1.95 eV。Abstract: The effect of the parameters (sintering temperature, pressure, holding time) of spark plasma sintering technique on the W porosity of Ba-W cathode was studied by orthogonal method. When the W porosity varied in the range of 23%−30%, the corresponding process parameters were obtained. On this basis, the spherical and traditional irregular W matrix with different porosity were sintered. The results show that the spherical porous W particles were packed and arranged orderly, and the pore size distribution was concentrated and uniform. When the porosity of spherical W was 26.3%, the size of the median pore was 1.41 μm. The vickers hardness of spherical tungsten matrix was lower than that of conventional irregular tungsten matrix. Under the condition of pulse width 10 μs and frequency 1000 Hz, the impulse current density of Ba-W cathode increased at first and then decreased with the increase in porosity. The maximum current density belonged to the Ba-W cathode with the matrix porosity of 26.3%. At 1050 ℃, the off-point emission current density of Ba-W cathode reached 24.62 A/cm2, the corresponding zero-field current density and workfunction were 7.62 A/cm2 and 1.95 eV, respectively.
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Tesla变压器具有紧凑、重复频率高等优点，广泛应用于高功率微波驱动源、电磁脉冲辐射源等领域[1-3]。初级充电电源是Tesla型脉冲功率源的重要部件，主要用于给Tesla变压器初级储能电容器充电，满足系统重复频率运行时对初级能源的需求。LC谐振充电是Tesla变压器常用的初级充电技术[4-6]，普遍应用于国内外研制的Tesla型脉冲功率源。LC谐振充电的主要原理是大容量储能电容通过谐振电感向小容量负载电容充电，以获得倍压效果。由于Tesla变压器初级电压一般为几百V到kV，LC谐振充电的储能电容可直接用市电整流滤波供电，谐振充电开关和能量回收开关可采用单级晶闸管，因而电源体积比高电压应用[7-8]时大大缩小，整体功率密度可媲美高频谐振充电电源[9]，但成本和复杂度都比后者低得多。LC谐振充电电源给Tesla初级电容重复频率充电时，需要采用多路时基控制器对初级放电、能量回收和谐振充电等三个回路的工作时序进行严格控制[6, 10-11]。如果因强电磁干扰等因素，导致多路触发时序紊乱可能出现严重的后果[12]，如充电电压过高、电源“连通”短路等。此外，LC谐振充电电源本身不具备输出短路保护机制，如果发生Tesla变压器初级短路等故障，很可能导致全系统大范围烧毁。针对LC谐振充电的上述缺陷，本文提出了一种时基反馈控制的谐振充电电源，采用特殊设计的时基反馈电路取代多路时基控制器，对谐振充电进行自动触发控制，提高了抗电磁干扰能力，同时具有负载短路保护功能。
1. 工作原理
1.1 典型LC谐振充电电源的工作原理及存在的问题
典型的LC谐振充电电源原理如图 1所示。它包括前级直流电源HV、储能电容器C1、谐振电感L1、谐振晶闸管S1、回收电感L2、回收晶闸管S2、多路时基控制器、负载电容器C2等。其中，前级直流电源HV为市电整流滤波，给储能电容器C1供电。C1-L1-S1-C2构成了谐振充电回路，C2-L2-S2构成了能量回收回路。S3为Tesla初级放电晶闸管。多路时基控制器有三个触发端口CH1~CH3。
图 1 典型LC谐振电源原理图Figure 1. Principle of typical LC resonance capacity charging power supply (CCPS)CH3首先触发S3，C2迅速向Tesla初级回路放电，放电剩余电压一般为负极性。然后，CH2触发S2，启动能量回收过程，C2和L2之间发生LC谐振。半个振荡周期后，回收电流过零，S2自然关断，能量回收过程结束。此时，C2电压由负极性翻转为正极性。最后，CH1触发S1，启动谐振充电过程，C1-L1-C2之间发生LC谐振，即储能电容C1通过谐振电感L1向负载电容C2充电。半个振荡周期后，谐振电流过零，S1自然关断，谐振充电结束，初级电容C2被充到预定电压。
由上述分析可以看出，基于LC谐振充电的Tesla初级电源需要三路触发信号，而且各触发信号必须按照严格的相对时序依次输出。如果因人为操作错误或者强电磁干扰等因素(Tesla变压器一般工作在恶劣电磁环境下)，导致多路时基控制器输出的各触发脉冲时序出现偏差，将可能出现严重的后果。比如，如果CH1与CH2之间的相对延时小于正常值，那么谐振充电过程启动过早，将会导致充电电压过高，危及到开关器件的安全，甚至导致脉冲源内部击穿。又比如，如果在谐振充电还没结束的时候，CH3就已经触发S3放电，那么由于S1和S3都处于导通状态，电源将出现整体性的“连通”短路，往往造成全系统大范围烧毁。此外，LC谐振充电电源本身不具备输出短路保护机制，如果发生了负载短路故障，如Tesla初级放电晶闸管S3烧毁或者初级电容C2击穿，那么也同样会使得电源整体性“连通”短路，造成严重后果。
1.2 时基反馈控制的LC谐振电源的工作原理
提出的时基反馈控制的LC谐振充电电源如图 2所示。与典型LC谐振充电电源不同的是，原回收晶闸管S2改为回收二极管D2，原谐振充电晶闸管S1保留，但S1不再由多路时基控制器触发控制，而是由特殊设计的时基反馈电路进行自动触发控制。该时基反馈电路由隔直电容C3、限流电阻R1、隔离变压器T1、泄放二极管D1等组成，其功能是在C2-L2-D2能量回收过程结束时刻，自动在T1的次级产生幅值和脉宽都合适的触发信号，去触发谐振晶闸管S1。
图 2 时基反馈控制的LC谐振电源的原理图Figure 2. Principle of time-base feedback controlled LC resonance CCPS图 3给出了该电源主要节点波形示意图，其中u2为初级电容C2电压，uD2为回收二极管两端电压，itri为T1次级输出的晶闸管触发电流。初级电容C2放电后的初始剩余电压为-Ur，回收二极管D2正向导通，C2-L2-D2能量回收过程自动启动。在能量回收过程中，uD2很小，从而D2将T1的初级短路，即T1初级没有电流流过。半个振荡周期后(td时刻)，C2电压u2由-Ur翻转为+Ur，D2反向阻断，能量回收过程结束。此时，C2-L2-D2回路立即切换为C2-T1-R1-C3-L2回路。在C2正极性电压驱动下，C2-T1-R1-C3-L2回路中产生快速上升的电流脉冲。经过变压器耦合作用，T1次级输出快速电流脉冲itri，去触发谐振晶闸管S1，启动谐振充电过程。相应的谐振晶闸管S1触发延时为
td=π√L2C2 (1) 
图 3 时基反馈的谐振充电电源节点波形示意图Figure 3. Waveform of time-base feedback controlled LC resonance CCPS时基反馈电路各元器件的作用是：R1限制触发脉冲幅值，C3限制触发脉冲宽度，T1对触发脉冲进行隔离和调制，D1为C3储存的能量提供泄放通道。设T1的变比为n。一般C2≫C3，R1远大于晶闸管门极等效电阻。为了避免触发电流振荡，并考虑到尽可能提供较大的触发电流，C2-T1-R1-C3-L2回路一般可设计为临界阻尼或者接近临界阻尼的过阻尼状态，即R1≈2√L2/C3。于是，时基反馈电路产生的itri的峰值、半高宽、初始上升率分别约为
ip=αUr√C3/L2/ne,τ=βe√C3L2,ditr/dt=Ur/nL2 (2) 式中：α，β是阻尼修正因子；Ur是初级电容初始反向电压。对于临界阻尼，α≈1，β≈1。通过选择合适的隔离电容C3、限流电阻R1和隔离变压器T1变比n，可以获得幅值为安培级、半高宽为10 μs级，且具有足够初始上升率的触发电流，从而驱动谐振晶闸管S1。
时基反馈电路提供了稳定的触发延时，保证了电源各工作回路相对时序的正确性。与多路时基控制器相比，其电路结构简单，且都是高压元件，因而抗电磁干扰较强。进一步分析发现，该时基反馈控制的谐振充电电源具有负载短路故障保护能力：如果发生了负载短路故障，如Tesla初级放电晶闸管S3烧毁或者初级电容C2击穿，那么回收二极管D2两端电压迅速降到零，时基反馈电路因缺乏能量而无法产生触发信号，从而谐振晶闸管S1保持关断状态，谐振充电停止，从而防止了电源发生“连通”故障，避免短路电流烧毁系统其他部分。
2. 应用及实验
时基反馈控制LC谐振充电电源已应用于CKP1000，CKP5000等多台Tesla型超宽谱脉冲源。以CKP1000超宽谱脉冲源为例，其Tesla变压器初级电容C2=80 μF，初级充电电压U0≈700 V；前级直流源HV采用三相市电全桥整流，储能电容C1=5 mF，储能电压U1=540~580 V；谐振电感L1=350 μH，回收电感L2=85 μH。根据式(2)，为获得合适的谐振晶闸管触发电流，选取隔直电容C3=0.22 μF，限流电阻R1=50 Ω，隔离变压器T1变比为1∶1。
图 4给出了电源工作波形，其中CH1是初级电容C2充电电压波形，CH2是谐振充电电流波形，CH3是时基反馈电路输出电流波形。可以看出，初级电容电压从约-450 V充电到约+700 V，总充电时间约820 μs，其中0~260 μs为能量回收阶段，td=260 μs时刻时基反馈电路给出谐振触发信号，260~820 μs为谐振充电阶段，谐振电流峰值65 A。图 5是时基反馈电路输出电流的放大波形，幅值5.6 A，上升率5 A/μs，半高宽12 μs，满足谐振晶闸管强触发要求。
图 6给出了CKP1000超宽谱脉冲源1000 Hz工作时，初级电源输出电压电流波形。由于时基反馈电路采用高压元件，因而基本不需特别电磁加固措施，就能可靠工作在超宽谱脉冲辐射条件下。图 7给出了Tesla初级回路发生短路故障时，电源的输出电压(CH1)、谐振充电电流(CH2)和时基反馈电路输出电流(CH3)的波形。可以看到，最后一炮时发生负载短路故障，电源输出电压迅速降为零，时基反馈电路立即停止输出触发脉冲，电源停止了谐振充电，电路中不再有电流，从而实现了负载短路故障保护。
3. 结论
基于LC谐振充电的Tesla初级电源存在时序控制要求高、易受电磁干扰、不具备负载短路保护能力等缺陷。为此，提出了一种时基反馈控制的Tesla初级电源，对谐振充电进行自动触发控制，以实现各回路的正确工作时序。时基反馈电路结构简单，抗电磁干扰能力强，且能够在负载发生短路故障时自动停止充电。该技术已经应用于CKP1000，CKP5000等多台Tesla型超宽谱脉冲源。实验结果表明，在强脉冲辐射环境下，该电源能够以1000 Hz重频稳定运行，且能够在Tesla变压器初级短路故障时进行自动保护。
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图 1 原料粉末与粒度分布
Figure 1. Two kinds of raw material powder and their particle size distribution
图 6 浸渍基体微观组织形貌与元素分析
Figure 6. Microstructure and component analysis of the impregnated matrix
图 7 阴极热发射性能伏安特性与肖特基曲线
Figure 7. Volt-ampere characteristics and Schottky curve of cathode thermal emission performance
表 1 参数因素水平
Table 1. Parametric factor level
level temperature/℃ holding time/min pressure/MPa 1 1500 1 15 2 1600 2 20 3 1700 3 25 
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表 2 正交试验方案及结果
Table 2. Orthogonal experimental results
number A B C error porosity/% 1 1500 1 15 1 28.34 2 1500 2 20 2 25.33 3 1500 3 25 3 21.00 4 1600 2 15 3 22.05 5 1600 3 20 1 19.56 6 1600 1 25 2 21.97 7 1700 3 15 2 19.46 8 1700 1 20 3 18.15 9 1700 2 25 1 15.97
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表 3 正交试验极差分析
Table 3. Orthogonal experiment range analysis
A B C error K 74.67 68.46 69.85 63.87 63.58 63.35 63.04 66.76 53.58 60.02 58.94 61.20 R 21.09 8.44 10.91 5.56
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表 4 正交试验方差分析，各因素偏方差和(SA)、自由度(f )与置信度(α)
Table 4. Orthogonal experiment variance analysis，sum of variance(SA)，degree of freedom(f ) and confidence (α) of each factor
source SA f F α degree temperature（A） 74.20 2 14.39 0.1 high holding Time（B） 12.05 2 2.34 0.25 low pressure（C） 20.25 2 3.93 0.25 middle error 5.16 2 SUM 111.66 8
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表 5 不同温度与孔隙度阴极偏离点电流密度
Table 5. Cathode deviation point values of different temperature and porosity
temperature/℃ Jdev with different spherical matrix cathode/（A·cm−2） 23.4% 26.3% 30.5% 900 8.42 10.27 8.60 1000 10.66 14.77 11.43 1050 12.37 24.62 13.00 1100 13.95 33.07 14.56
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表 6 1050 ℃下各阴极J0与Φ
Table 6. J0 and Φ values of three cathodes after activated at 1050 ℃
activated temperature/℃ J0/（A·cm−2） Φ/eV 23.4% 26.3% 30.5% 23.4% 26.3% 30.5% 1050 3.79 7.62 3.10 2.03 1.95 2.05
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