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1、超音速流动下空气电离场的电子发射近年来，研究人员一直在积极探讨超音速和高超音速下磁流体动力学（MHD）技术的可能的应用。尤其是在十年前提出的关于能够通过磁场修改流焓并控制空气动力流体结构的MHD设备，将其运用到超音速喷气式飞机的机载报警与控制系统中去的观点。然而，这种方法的实际执行情况遇到了一些物理和技术的问题，这些问题每个都需要彻底调查。在最近的实验结果和计算 2,3 表明，磁场的强度不超过1T可显著影响超音速扩压器的实验室模型中弱电离气体流动的空气动力动态结构。实验是在一个较重的弱电离惰性气体中进行的。在空气或氮气相比，惰性气体比较明显的优势是原子离子的复合截面水平较低，这使实验可以在实验
2、室的空气动力设备中进行。然而，最具现实的意义却是在超音速流中气体分子，尤其是空气和氮气的弱电离的MHD过程的研究。在这里，主要的问题在于创造和维持为发生显著磁流体相互作用所需电离度的足够长的时间。这个问题已经被积极彻底地讨论过了。从数据上看，在分子气体中创造等离子体的最有效的方法之一是通过一个能量大约,而能量密度约的电子束来使气流电离。因此，实验任务是在一个运动速度为（约4-6马赫），静态压强(约5-70Torr)的超音速气流中产生低温等离子体。为了在适当磁场（1-5T）下磁流体相互作用能够改变流焓到几兆焦每千克，必须通过外部电离使的空间中包含数量级高达的电子密度。问题中有个重要点在讨论中，即
3、如何形成强电子束并将其引到超音速流中。现有的电子发射器的数据显示，炽热阴极的使用时有效的，因为它包含发射器表面发出热电子所要消耗的相当大量的能量。而且炽热阴极对真空条件非常敏感，大多情况下它一接触大气就会迅速变质。近代高压电场的阴极满足上述要求，并代表了部分单点或多点的固体发射器在静电发射及爆炸发射模式。运用这样的设备，就可以避免操作炽热阴极所需的相当大的能量消耗。在静电发射和爆炸发射下阴极运行所需的电压等级和在气流中空气中度电离所需的电压值是相当的。这样的电离所需的电流密度可以通过多点场的阴极产生，这就表示阴极点阵的特征是以同样的高度和曲率半径表征的。这个系统的缺陷在于对阴极尖端离子轰击的高
4、敏感度，而这种缺陷在磁流体设备运行所需气压水平条件下是非常显著的。爆炸发射模式的缺陷是尖端阴极相对较短的使用寿命，因为每一次发射脉冲都会对尖端传递部分损伤，而且脉冲还伴随着阴极材料的损耗。我们的观点是，解决问题的最佳方案是用多点的液态镓发射器。在这个发射器中，点集使用核膜的协助增加的。下面图中就是该系统的原理图。这个设备以一层液态镓为基础，液层的一侧与一个带电平面相连接，另一侧附上一层聚酯薄膜。核孔膜被最初的聚合物薄膜的放射所包含，它的重离子腔中高达兆电子伏的能量。薄膜厚度约为10mm。根据不同的制备条件，轨道通道的直径可能在0.31.0mm内变化。在膜内赛道的表面密度（通道）可达。发射极表面
5、由聚合物薄膜的面积决定，可达几十平方米。一种液态金属发射场的原理图：（1）衬底；（2）液态镓层； （3）跟踪膜；（4）液态金属尖端。表1.以液态镓为基础的多点场发射的参数105.7190204.08.4303.350.69402.840.079502.50.0114在外部施加电压，由于金属渗入到毛细管中形成的液态镓尖端而产生的电子场发射产生了电流。液态金属尖端的高稳定发射率是由一个深度负反馈造成的，而不是金属尖端锐化和无限累积的发射电流密度的结果。根据 6 ，反馈是通过液态金属的表面欲使每个尖端钝化的张力提供的。另一方面，不断增加的外加电压U（T）导致在每个镓柱圆端的电场强度增加，从而延伸和锐
6、化发射尖端。最终，电场诱导的向上拉的压力等于由表面张力产生的向下拉的压力。与此对应的条件是（式1）： （1）式1中介电常数，是平衡时电场场强V/m，是平衡时表面张力N/m，而是尖端半径m。假设每个发射器代表一个回转体，尖端点代表一个半径的球面，我们可以利用平衡条件（1）得到的估算值 （2）其中我们将液态镓的表面张力取。根据公式（2），当点的半径在之间时，电场强度。这是从将电子束引进到超音速流的立场上来看的一个重要估算。在这样一个场中，电子在10mm左右的距离中被加速到具有10keV左右的能量。发射表面面积约等于，我们可以从一个奇尖端出发估算电流并决定总电流密度为A/。截至目前，研究者们已经用各
7、种波形的外加电压对液态金属的场致发射体进行了测试，包括完整的正弦波（频率50和400Hz和50kHz），半正弦波（同频率），恒定电压，脉冲电压（有100ns脉宽和重复频率几赫兹） 6 。场发射模式下的阴极操作允许的电流密度高达100mA/cm2。场发射器的参数在一个电场引起的压力和液体镓表面张力平衡时的FowlerNordheim理论下计算并记录在表中。数据包括电场强度E，电子发射电流密度，一个单一的液态金属尖端的电流，和总电流密度，假设不同平衡点半径下点密度均为。从 7 中我们知道，液态金属尖端可以在连续运行工况下提供一个不少于10mA的稳定电流。因此，对于上述点密度（ ）的发射极表面，阴极
8、可以保证一个可达100A/cm2的电流密度。最后，我们总结出的基于液态镓的多场发射阴极特性，在我们看来，对超音速流动条件下分子气体的电离是很重要的。阴极的场致发射或爆炸发射模式操作可以产生拥有上千电子伏特能量的稳定可重复的电子束和几百A/cm2的电流密度。阴极操作的高稳定性和再生性与场发射机制是自持的这一事实相关。这种自持机制是由于电场诱导力和液态金属的表面张力平衡的可靠的负反馈额引起的。每个单点产生的电流密度非常低而难以维持稳定的场发射过程，这时需要一个由大量（107108CM2）同时操作的发射点保证的相当大的总电流密度。在这系统中，由于液态金属点自流平性能，测量水准点参数没有问题（如固体发
9、射的情况）。同理，缺陷（固体发射的情况带来的累积问题）在液态金属的表面表现出自愈性。在爆炸发射机制，液态金属发射器能够在脉冲电流强度高达几百安培的情况下操作，使持续脉冲长达30100ns并且从1Hz到几千赫兹的重复频率可变（被测发射器在操作的几个小时中任何参数没有可见的变化）。稳定的操作是由发射点每个爆炸电流脉冲后的自我恢复能力提供的。如上所述，点面附近的发射区创造了一个高强度的电场，该电场驱动电子在几微米的距离中获得超过几千伏的能量。这种情况下为将电子束引入到超声速气流中提供了一种新方法。发光表面的阴极型领域可能考虑具有各种形状和相当大的规模。现在我们正计划研究多点镓薄膜发射器相应的在MHD轨道中将几千电子伏特的电子束入射到超音速气流操作条件下的性质。
