天鹅绒阴极能够产生高亮度强流电子束,并且成本低、使用方便,在强流高功率单脉冲电子束装置中得到了广泛的应用。然而,在兆赫兹猝发多脉冲条件下的发射特性如何未见系统报道。在本论文所开展的研究中,建立了一台能够产生猝发强流多脉冲电子束的功率源及真空二极管,利用该装置,通过实验研究了天鹅绒阴极在强流猝发多脉冲条件下的发射特性。研究得到如下结论: 在猝发多脉冲工作模式下,天鹅绒阴极仍具有强流发射能力,发射电流密度可以达到100A/cm~2。同时在实验中观测到,在多脉冲发射条件下,阴极面发射不均匀,也不稳定。通过对前人研究工作的总结,及对本研究中观察到的一些实验现象的分析和解释,得到天鹅绒阴极产生强流电子束的机理是场致等离子体发射的基本观点,提出天鹅绒阴极产生强流电子束过程有三个中间过程,即尖端场致发射过程、纤维上吸附气体离析和离子化过程及在外加电场作用下自由电子引出过程。 阴极等离子体对于论文中所研究的真空二极管状态影响起主要作用。决定阴极等离子体膨胀速度的因素主要有二极管区的电场强度、等离子体的密度梯度和等离子体温度梯度等因素。实验条件下,阴极等离子体的膨胀速度在1cm/μs-2cm/μs之间,最大可以达到7cm/μs,并最终导致二极管的闭合。阴极等离子体膨胀导致阴极等效发射面前移和二极管负载的增加,引入电子束初始发射度增加项和导致二极管输出电子能散的增加。针对阴极等离子体的膨胀对引出电子束的影响,建立了多脉冲条件下的描述强流真空二极管基本特性的方程组,并在该方程基础上,建立了多脉冲二极管物理模型,运用ANYSYS和MAGIC程序进行了多脉冲二极管状态的数值模拟。模拟结果表明,阴极等离子体以柱状向阳极推进。 天鹅绒阴极产生对猝发多脉冲强流电子束亮度优于5.0x10~7A/(m·rad)~2。采用了胡椒筒法结合电子束在石英片中产生的契仑柯夫效应实验测量了高重复频率发射条件下多脉冲电子束的积分发射度,并结合电阻环测量的电子束流给出了高重复频率猝发多脉冲电子束的积分亮度。用反磁回路获得了双脉冲电子束包络随时间变化情况。实验结果表明,单个脉冲时间过程和两个脉冲过程内电子束包络均方根半径有所变化,但变化相对幅度较小。结合三梯度法测量发射度的结果,表明电子束脉冲过程中,电子束的发射度相对变化也较小。用分幅相机获得了两个电子束脉冲包络半径的演化图像。 同时,论文也对强流电子束源发展方向进行了一些探索,研究了纳米金刚石膜、纳米碳管、直立碳纤阴极和储备式热阴极强流发射特性,给出了这些阴极在高发射电流密度、大电流条件下的初步实验结果。