中文摘要：

选取一维纳米氧化锌和碳纳米管作为电子发射材料，分别采用低温水热合成和低压化学气相沉积方法实现两种材料体系的大面积一维纳米材料冷阴极的可控制备；研究基于两种一维纳米材料的大面积冷阴极在高压脉冲电场中的强流电子发射性能，分析纳米发射体的尺寸、密度和结构、缺陷等因素对阴极强流发射性能的影响，建立发射体的形态特征与阴极强流发射性能之间的数值关系模型；提出具有最佳发射性能的阴极制备工艺路线，通过调控工艺参数提高纳米材料阴极的强流发射性能；采用基片处理与改性、发射体尖端沉积低逸出功金属或CsI和表面等离子体处理等措施改善阴极的强流发射性能；表征一维纳米材料冷阴极的强流电子束发射过程，探索纳米材料的强流发射理论。研制发射电流密度高、性能稳定的一维纳米材料冷阴极作为强流电子束源，开展两种体系的纳米材料冷阴极在加速器以及高能微波电子器件上的应用。

结论摘要：

在本项目的研究中，成功控制合成了多种形貌的氧化锌（ZnO）纳米结构和碳纳米管材料，并利用两种纳米结构构建了大面积强流发射冷阴极。采用低温水热合成制备了氧化锌纳米棒阵列阴极，并通过丝网印刷和浸渍涂敷法制备了四针氧化锌和碳纳米管薄膜阴极。制备的一维纳米材料冷阴极的直径均为50 mm。研究了基于两种一维纳米材料的大面积冷阴极在高压脉冲电场中的强流电子发射性能，由于等离子体在脉冲间隙的膨胀，纳米材料阴极在双脉冲条件下的发射能力高于在单脉冲下的发射能力，双脉冲发射的等离子体亮度高于单脉冲发射等离子体亮度。分析纳米发射体的尺寸、密度和结构等因素对阴极强流发射性能的影响，提出了改善性能的优化工艺。通过在硅衬底上预镀Fe、Al膜有效提高了阴极的碳纳米管薄膜阴极的发射性能，当Fe膜为60nm时，10nm碳纳米管薄膜阴极的阳极发射电流最高达到342.53 A。研究了阴极发射时，阴阳极的电流信号的不同，发现氧化锌纳米棒阵列阴极的阳极电流约占阴极电流的为27~28％，而碳纳米管薄膜阴极的阳极电路约占阴极电流的24~26％左右。研究了不同材料纳米阴极的发射启动时间，氧化锌纳米棒阵列阴极发射的启动时间约为27~28ns，而碳纳米管薄膜阴极发射的启动时间约40ns左右，两种纳米阴极比天鹅绒阴极的启动时间20ns都长。四针ZnO薄膜阴极的发射电流低于氧化锌纳米棒阵列阴极，发射启动时间约为35ns。阴极发射时产生了大量的等离子体发光。二极管的真空度对阴极的发射性能也有很大的影响，纳米阴极在低真空条件下的发射电流高于高真空条件下的发射电流强度。当真空度提高时，阴极的发射电流和有效发射半径降低，等离子体发射电子数量减少。发现了碳纳米管阴极在强流发射过程中的在阴极的发射过程中，碳纳米管分解与气体解吸现象，发现在1.64MV的电压下，阴极最高发射电流达到2313.2A，阴极的排气量为0.485 Pa.L。通过本项目的研究实现了基于纳米材料的强流发射冷阴极在直线感应加速器上的应用，具有很好的应用前景。 本项目共发表高水平学术论文17篇（均为SCI、EI源刊论文），其中影响因子大于2的论文14篇，申请国家发明专利4项，批准专利6项。参加国内外学术会议4人次，2名项目组成员分别赴德国和美国交流访问。研究成果获得北京市科学技术奖一等奖1项。