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     

爆炸电子发射初期阴极表面电场的研究

为了研究二极管爆炸电子发射初始阶段阴极表面复杂的物理现象及规律, 建立了由场致电子发射阴极构成的一维平板真空二极管物理模型,通过自行编程数值求解泊松方程, 考虑了发射出的电子对阴极表面电场的非线性影响,自洽模拟得到了阴极表面电场随时间的变化情况. 模拟结果表明,爆炸电子发射初期,阴极表面电场随时间的增加而呈现出不断振荡的规律, 且振荡幅度越来越小,最终到达一个稳态的值,二极管两极板之间的外加电场越大, 阴极表面稳态电场的绝对值越大;电场增强系数越大,阴极表面稳态电场的绝对值越大. 在整个时间演变过程中,阴极表面的实际电场强度决定着阴极发射的电流密度大小, 反过来阴极发射的电流密度又会影响到阴极表面的电场.     

基于库仑定律的二极管空间电荷限制效应研究

真空二极管是电子束源装置中的一个关键部件, 其阴极发射的电子束进入二极管阴阳极间隙区会产生很强的空间电荷限制效应. 本文针对平板真空二极管中的空间电荷限制效应物理模型, 从库仑定律的积分形式出发, 选取了不同参数的阴极半径与阴阳极间隙距离之比, 计算得到了真空二极管阴阳极间隙区的电场分布情况, 从而避免了采用Poisson方程求解时需要处理复杂的非线性偏微分方程这一问题. 结果表明, 基于库仑定律的计算结果与从Child-Langmuir定律分析得到的结果仅相差一个与二 极管极板边界条件有关的修正量. 当二极管阴极半径与阴阳极间隙距离之比 R/D>10时,一维空间电荷限制定律将是一个较好的近似结果,当 R/D较小时, 用该定律计算误差较大,在实际物理问题中需要谨慎使用.     

场致爆炸发射阴极有效发射面积研究

通过改变阴阳极间隙，得到在不同外加电场情况下，场致爆炸发射石墨阴极有效发射面积随时间变化的实验结果。结果表明，在起始的一定时间内，阴极有效发射面积随时间的增加而增大。阴极有效发射面积达到1.0的时间随阴阳极间隙内电场的增加而减小；当二极管阴阳极之间的平均电场约为100 kV/cm时，阴极有效发射面积达到1.0的时间约为20 ns；阴极有效发射面积相对电压波形的延迟时间随电场的变化近似呈指数衰减曲线。     

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。     

场致爆炸发射阴极表面微凸起热效应的数值研究

研究场致发射电流密度与阴极表面微凸起顶部的温度之间的高度非线性关系,用数值方法计算在外加宏观电场条件下,不同顶底半径比微凸起的热效应.结果表明:当微凸起顶底半径比值不同时,由于微凸起的微观电场增强因子不同,当微凸起顶部温度达到阴极材料的熔点时,微凸起内部温度分布差异显著;当外加宏观电场相同时,微凸起的顶底半径比越小,爆炸发射延迟时间越短;对于顶底半径比确定的微凸起而言,爆炸电子发射延迟时间随外加宏观电场强度的减小而成指数规律增长.     

外加电场对光折变高阶响应影响的微扰分析

应用微扰展开法了“跳跃模型”给出了空间电荷场前三阶分量随时间，外加电场等变化的解析表达式，同时讨论了外加电场对各阶空间电荷场建立的影响，当扩散与外加电场可比拟时，外加电场对空间电荷场的影响不大，随着空间电荷场阶数的提高，其达到最大饱和值所需的外加电磁越小，在外加电场作用下，空间电荷场各阶分量随时间呈振荡衰减，直到达到饱和，外加是场越大，振荡越强烈，周期越短，在考虑高阶分量的贡献后，空间电荷场的振荡     

阴极微凸起形状对热不稳定性的影响

为了研究阴极微凸起形状对其热不稳定性的影响,采用数值模拟方法研究了不同外加电场条件下,圆柱、圆台和圆锥形等不同形状微凸起的热不稳定性发展过程。结果显示:对于不同形状的微凸起,当微凸起顶部温度达到阴极材料的熔点时,微凸起内部温度分布差异显著,随着微凸起形状由圆柱-圆台-圆锥形变化,微凸起内部温度接近材料熔点的部位越来越少;外加电场相同时,微凸起形状越接近圆锥形,爆炸电子发射延迟时间越长;在阴极表面电场强度高于11 GV/m时,爆炸电子发射延迟时间随着微凸起顶底半径比值的减小或阴极表面电场强度的下降近似成指数规律增长。     

空间电荷和介质表面电荷对微放电演化过程的影响

微放电是制约航天器微波部件功率容量的主要瓶颈之一。以介质微波部件中典型的介质加载平行板波导为例,基于三维粒子模拟分别对仅考虑外加微波场（情况1）、考虑外加微波场和空间电荷（情况2）以及考虑外加微波场、空间电荷和介质表面电荷（情况3）三种情况下微放电演化过程中电子数目、瞬态二次电子发射系数、归一化反射波电压以及介质表面与上金属板之间的间隙电压随时间的变化进行了仿真,并给出了情况3电子分布和介质表面电荷密度随时间的变化过程。在此基础上,明确了空间电荷和介质表面电荷在微放电过程中所起的不同作用：即空间电荷会使微放电达到饱和状态,介质表面电荷则导致微放电饱和状态无法持续,最后自行熄灭。介质表面电荷导致了微放电过程中介质和金属瞬态二次电子发射系数下降速率不一致,归一化反射波电压幅度随时间变化的包络类似于“眼睛”形状、间隙电压类直流偏置、非对称电子能量分布等特殊现象。     

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。