二极管间隙距离对场致发射过程中空间电荷效应的影响

在强电场条件下,由阴极通过场致发射产生的电子具有很强的空间电荷效应,因此真空二极管的空间电荷限制电流是设计高功率微波源等强流电子束器件时需要考虑的重要参数.场致发射电流密度只和阴极材料、阴极表面电场等有关,而空间电荷效应则会受二极管电压、间隙距离等因素的影响.为研究二极管间隙距离对场致发射过程中空间电荷效应的影响,建立了由场致发射阴极构成的一维平板真空二极管物理模型,利用第一性原理的粒子模拟方法,研究了二极管间隙距离和外加电压等参数变化时的阴极表面电场随时间的演变特性,得到了阴极表面稳态电场和二极管间隙距离之间的关系.结果表明,场致发射过程开始后,阴极表面电场先有个振荡过程,随后趋于稳定;在同一外加电场条件下,间隙距离越长,稳态电场的绝对值越小,且达到稳态所需的时间也越长;间隙距离越短,当阴极表面电场达到稳定状态时,二极管间隙区的电场分布变化越剧烈.     

轴对称平板二极管空间电荷限制流的2维效应

 应用精度较高的体积加权电荷、电流分配模型，对轴对称平板二极管的空间电荷限制流2维效应进行了粒子模拟研究。选取电压分别为100 kV和1 MV两种情况，对空间电荷限制流受二极管尺寸影响的规律进行了模拟。模拟结果表明，2维效应使空间电荷限制流密度随二极管形状因子(阴极发射半径与阴阳极间隙的比值)的减小而增大，且受相对论效应的影响不明显。经数值拟合得到了空间电荷限制流2维效应与形状因子相关的二阶经验公式，其一阶系数与一阶理论结果基本一致，约为1/4。     

强流脉冲电子束二极管等离子体漂移速度的研究

 强流相对论电子束二极管阴阳极等离子体的形成和漂移,是二极管工作状态研究的重要组成部分。根据Child-Langmuir定律和二极管导流系数,结合二极管阴极电子发射面积的变化模型,给出了二极管阴阳极等离子体漂移所导致的阴阳极间隙闭合速度。     

大面积均匀电子束产生实验研究

 在电子束泵浦气体激光实验中，大面积均匀电子束是获得高效能激光输出的必要条件。介绍了利用SPG-200脉冲功率源产生大面积均匀电子束的实验。SPG-200是基于SOS的全固态重复频率脉冲功率源，其开路电压大于350 kV。用于产生电子束的真空二极管阴极长294 mm，宽24 mm，两端均为半径为12 mm的半圆，栅网平面为阳极面，两者之间的距离在0~49 mm可调，阴极发射的电子束通过用于隔离激光气室和二极管真空室的压力膜及其支撑栅网引出。分别以石墨和天鹅绒为阴极材料，获得了大面积电子束输出，给出了二极管参数的测量结果，并对电子束发射均匀性进行了诊断。实验结果表明：在阴极材料为石墨、阴阳极间隙为5~9 mm时，二极管电压为240~280 kV，二极管电流为0.7~1.8 kA，输出的电子束很不均匀；在阴极材料为天鹅绒、阴阳极间隙为31~46 mm时，二极管电压为200~250 kV，二极管电流为1.5~1.7 kA，输出的电子束均匀性较好。     

轴对称真空二极管空间电荷限制流

基于ArcPIC代码采用PIC-MCC方法,模拟研究了轴对称真空二极管放电时电子密度和阴极表面场强分布情况,同时给出了二维空间电荷限制流的一阶和二阶拟合公式。研究发现,真空二极管放电时阴极表面电场会随阴极注入电流密度的增加而增加,而后出现振荡并趋于一个稳定状态;二维空间电荷限制流密度值随阴极发射半径的增大而减小,且阴极发射半径越大越接近一维空间电荷限制流值。     

二极管爆炸发射阴极等离子体的膨胀扩展

分析了二极管中爆炸发射产生阴极等离子体的演化特征,在考虑了阴极等离子体朝阳极膨胀运动使二极管阴阳极间距缩短这一效应的同时,还计入了阴极等离子体沿发射表面径向扩展运动对二极管有效发射面积的影响。基于Child-Langmuir定律,利用在一个四脉冲强流电子束源装置上得到的电流、电压等实验数据,假定阴极等离子体轴向膨胀和径向扩展速度近似相等,研究了阴极等离子体的膨胀扩展动力学行为。计算结果表明,阴极等离子体朝阳极的膨胀和沿径向的扩展速度为0.9～2.8 cm/s。     

强流电子二极管中阴极等离子体的膨胀

强流真空电子二极管是一种可以利用场发射的方法获得脉冲电流数kA到数MA的电真空装置，在强流加速器、高功率微波等领域得到广泛应用。强流电子真空二极管中，由于阴极材料气化和离子化等因素产生了阴极等离子体。阴极等离子体以一定速度向阳极运动，改变二极管阴阳极间实际间隙大小，并影响进一步引出电子束时二极管状态，从而影响引出束参数。     

阳极杆箍缩二极管的理论模型及物理特性

闪光X射线源是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段,阳极杆箍缩二极管(RPD)作为其重要组成部分之一,直接影响闪光X射线源照相质量。研究RPD物理特性对二极管物理结构优化设计及实验调试具有重要意义。分析了RPD空间电荷限制、弱箍缩和磁绝缘阶段物理模型。基于PIC模拟技术,编写了计算程序,研究了RPD不同阶段的电子电流、离子电流及电子束箍缩物理特性。通过理论分析,获得了特定几何结构RPD物理模型修正系数及各个阶段离子电流与电子电流比,验证了粒子模拟代码的有效性。模拟结果表明:空间电荷限制阶段,粒子模拟结果与双极性流计算结果一致;在弱箍缩和磁绝缘阶段,粒子模拟得到的总电流与磁绝缘模型计算结果一致,且与文献给出的经验拟合表达式计算结果一致;磁绝缘阶段离子电流与电子电流之比与电压和二极管几何结构相关,给出了离子电子电流比增大系数η与电压和阴阳极半径比的关系,该系数受电子、离子在不同结构二极管渡越时间的影响,随电压和阴阳极半径比增加而逼近恒定值。     

磁场对球头阴极二极管特性的影响

 采用全电磁PIC粒子模拟方法研究了磁场对球头阴极二极管物理特性的影响。结果表明外加磁场主要是通过对二极管束流轨迹的改变来影响二极管的物理特性。由于外加磁场将约束其产生电子束的发散，结果使其空间电荷限制电流减小，其值在无外加磁场并且自磁场可以忽略时的空间电荷限制电流值的0.5~1倍范围内。当外加磁场足够强时，束流轨迹主要受外加磁场控制，二极管产生的电子束既不箍缩也不发散。强外加磁场条件下的空间电荷限制电流近似为无外加磁场时的一半；在无外加磁场条件下，在阳极处的束流半径随二极管电压电流的增大而减小，空间电荷限制电流增强因子随束流半径的减小而减小，随二极管电压电流增大而减小。这一系列结果是在二极管电流小于其自箍缩临界电流条件下得到的。     

空间电荷效应对热场致发射中诺廷汉效应的影响

热场致发射阴极所产生的强流电子束具有很强的空间电荷效应,为研究该效应对热场致发射过程中诺廷汉（Nottingham）效应的影响机理,在理论分析的基础上,用数值方法研究了不同逸出功和多个外加电场条件下考虑空间电荷效应对诺廷汉效应结果的影响,并与不考虑空间电荷效应时的情形进行了对比. 结果表明：空间电荷效应的强弱会显著影响到阴极表面的稳态电场,进而对诺廷汉效应产生不可忽略的影响;当逸出功在3.0–4.52 eV、外加电场在3×10⁹–9×10⁹ V/m范围内时,考虑空间电荷效应的影响后,热场致发射电子所带走的平均能量较不考虑空间电荷效应时增加0–2.5 eV,且温度越高或外加电场越大时,该增加值越大;考虑空间电荷效应对诺廷汉效应的影响后,热场致发射电子从阴极带走的平均能量随外加电场的增加呈非线性下降规律;当阴极表面温度较高时,诺廷汉效应中的冷却效应随二极管间隙距离的变大而增强. 关键词： 热场致发射 诺廷汉效应 空间电荷效应 阴极表面电场     

Extension of the Mott–Gurney Law for a Bilayer Gap

Steady drift states of an electron flow in a planar gap filled with a bilayer dielectric have been considered. Exact mathematical formulas have been derived that describe the distributions of the electrostatic potential and space charge limited electron flow current (extended Mott–Gurney law for a bilayer diode).     

分段表面放电沉积效率研究

利用一种结构紧凑的分段表面放电辐射源模块，详细研究了在不同电压、电容、气压实验条件下回路等效电阻、等效电感及放电能量沉积效率的变化规律，利用四分幅相机拍摄获得了不同实验条件下的放电等离子体通道图像，分析讨论了放电等离子体运动对放电能量沉积效率的影响，提出了提高能量放电沉积效率的有效途径。     

库仑定理导出的2维空间电荷限制流一级近似公式

 为了准确计算空间电荷效应,从库仑定律和电流连续性方程出发,通过求解带电粒子群在空间某点产生的电场,再考虑到一系列合理的近似,最后得到了轴对称圆柱导体构形的空间电荷限制流的2维一级近似公式,结果显示,对于有限平面的电荷限制流大于经典1维限制流。     

Two-dimensional space-charge-limited emission: beam-edge characteristics and applications

There is, at present, no analytic solution that extends Child-Langmuir space-charge-limited emission beyond 1D. Herein, we investigate the characteristics of planar diode electron emission in 2D space with the emphasis on the transition region between the beam and vacuum. Current density above that predicted by Child-Langmuir is observed near the beam edges in a 2D finite element, electrostatic ray-tracing code. The properties of these increased current density "wings" are examined and then discussed in terms of their applications to cathodes which have large reservoirs of free electrons.     

Current in a high-current planar diode with a discrete emitting surface

The dependence of the current on emitter size is obtained for a high-current planar diode with a discrete emitting surface. It is shown that if the distance between the emitters appreciably exceeds their size, the dependence of the current on the ratio of the emitter size to the diode gap is a power dependence with an exponent of 3/2. The voltage dependence of the current obeys the “three-halves” law up to higher voltages than that for a planar diode with a homogeneous emitting surface. Zh. Tekh. Fiz. 69, 97–101 (June 1999)     

Sheath thickness evaluation for collisionless or weakly collisionalbounded plasmas

The widely used Child-Langmuir law for sheath thickness evaluation in semi-infinite collisionless plasmas makes the assumptions of quasi-neutrality (n_e=n_i) and zero electric field intensity E=0 at the sheath edge, as well as applying the Bohm criterion for ions entering the sheath. However, through a whole region fluid model, Poisson's equation has been solved numerically for the steady-state solution through the sheath and presheath without these assumptions. With the sheath edge defined, as in the Child-Langmuir law, at the place where the ion velocity is equal to the Bohm velocity, the sheath thickness of a bounded collisionless or weakly collisional plasma has been found with this model in some cases to be much larger than that obtained with the Child-Langmuir Law. The sheath thickness discrepancy is significant under conditions found in low pressure high density plasma (HDP) tools for plasma processing. Results presented indicate that the sheath thickness is very sensitive to the electric field and space charge density at the sheath edge. The electric field and space charge density can be successfully estimated by an intermediate scale matching method, and are used to derive a modified expression for the potential in the sheath that can be solved numerically for sheath thickness. With these results, the matching problem, arising when sheath and plasma are modeled separately, can be overcome     

无箔二极管电磁PIC模拟空间电荷限制发射模型比较

 为了在无箔二极管电磁PIC模拟中采用与电磁场自洽的空间电荷限制发射模型，对查尔特定律模型、高斯定律模型和一维二极管模型进行了理论分析和实例模拟比较。模拟结果表明，三种模型都能与电磁场自洽并反映外加磁场对发射电流的影响，但高斯定律模型受网格剖分粗细程度的影响较大且容易产生振荡，一维二极管模型在网格参数合理的情况下结果与查尔特定律模型基本接近，但需要求解超越方程，花费时间多。通过对模拟结果进行分析和比较，认为外加磁场对电子发射模型本身的影响很小，在电磁PIC数值模拟中可以不考虑，因此，查尔特定律模型更适合用于无箔二极管的电磁PIC模拟。     

Simple Approach to Generalization of Child‐Langmuir Law for Non‐Zero Injection Velocities in a Planar Diode

An absolutely straightforward study is presented to characterize the space‐charge limited region in a planar diode with non‐zero uniform initial velocity which brings about Liu's result. Unlike Liu's work, our approach is free of mathematical intricacies. In addition to its great simplicity, the presented method gives a good physical insight about the problem. (© 2016 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Riesz Fractional Derivatives and Fractional Dimensional Space

The Fourier transform method is used to solve fractional Poisson’s equation with Riesz fractional derivative of order α. It is shown that the solution is given in terms of the fractional dimensional space D. Gauss law for the electrostatic problem is given and the total electric flux is obtained in terms of α and D.     

A generalization of the Kepler problem

A generalization of the Kepler problem is constructed and analyzed. These generalized Kepler problems are parametrized by a triple (D, κ, μ), where the dimension D is an integer ≥3, the curvature κ is a real number, and the magnetic charge μ is a half-integer if D is odd and zero or half if D is even. The key to constructing these generalized Kepler problems is the observation that the Young powers of the fundamental spinors on a punctured space with cylindrical metric are the right analogs of the Dirac monopoles. The text was submitted by the authors in English.