新型二次电子倍增阴极的蒙特卡罗模拟研究

提出了一种新型二次电子倍增阴极强流二极管,并对其进行了动力学理论简化模型和蒙特卡罗数值模拟的对比验证研究。首先,基于设计结构原型,根据二次电子发射特性进行合理简化,建立了动力学模型,获得了电子速度、位移以及渡越时间的解析结果,并结合Vaughan的二次电子产额模型,确定了该新型二次电子倍增阴极强流二极管的理论工作区间;其次,理论分析了施加径向电场的重要意义,并给出了二次电子运动特征参数(最大位移、渡越时间、碰撞能量等)的理论预估结果;最后,对该新型二次电子倍增阴极强流二极管进行了蒙特卡罗模拟研究,获得了电子的运动轨迹、碰撞能量以及二次电子倍增工作区间等物理图像,并将蒙特卡罗数值模拟结果与理论结果进行了比对,两者吻合程度较好,对可能的误差来源进行了分析讨论。理论和模拟结果表明:新型二次电子倍增阴极强流二极管概念可行,工作区间内通过调整施加电场与磁场幅值,可有效达到电子运动状态可控的目标。另外,理论粗估了二次电子倍增饱和条件下的阴极发射电流密度,结果表明:发射电流密度可达kA/cm2水平,具备强流发射特性;增加外加径向场强幅值可有效提升发射电流密度。最后,对该新型二次电子倍增阴极设计步骤和依据进行了讨论。     

介质单边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

 针对介质单边二次电子倍增现象,理论分析给出了其动力学方程、二次电子初始能量与角度分布,结合二次电子发射的材料特性,研究了二次电子倍增的理论预估敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系;采用固定时间步长并考虑电子束动态加载饱和效应的细致蒙特卡罗方法,研究了二次电子数目、直流场、射频场、介质表面沉积功率、电子放电功率、二次电子碰撞能量及电子渡越时间等二次电子倍增特性物理量的变化过程,并且讨论了初始电流及二次电子倍增工作点对二次电子倍增整个过程的影响作用,得出了二次电子倍增存在初始阈值发射电流密度的结论。     

高功率微波沿面闪络击穿机制粒子模拟

针对高功率微波介质沿面闪络击穿物理过程,首先建立了理论模型,包括:动力学方程、粒子模拟算法、二次电子发射, 以及电子与气体分子蒙特卡罗碰撞模型、电子碰撞介质表面退吸附气体分子机制;其次,基于理论模型,编制了1D3V PIC-MCC程序,分别针对真空二次电子倍增、高气压体电离击穿和低气压面电离击穿过程,运用该程序仔细研究了电子和离子随时间演化关系、电子运动轨迹、电子及离子密度分布、空间电荷场时空分布、电子平均能量、碰撞电子平均能量、碰撞电子数目随时间演化关系、电子能量分布函数、平均二次电子发射率以及能量转换关系。研究结果表明:真空二次电子倍增引发的介质表面沉积功率只能达到入射微波功率1%左右的水平,不足以击穿;气体碰撞电离主导的高气压体电离击穿,是由低能电子（eV量级）数目指数增长到一定程度导致的,形成位置远离介质表面,形成时间为s量级;低气压下的介质沿面闪络击穿,是在二次电子倍增和气体碰撞电离共同作用下,由于数目持续增长的高能电子（keV量级）碰撞介质沿面导致沉积功率激增而引发的,形成位置贴近介质沿面,形成时间在ns量级。     

金属双边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

 针对金属双边二次电子倍增现象,分析给出了电子共振方程、共振相位、相位聚焦条件以及碰撞电势;并根据二次电子发射的材料特性,研究了金属双边二次电子倍增的敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系。利用材料二次发射特性的经验公式,辅以电子碰撞角和碰撞能量计算以及对二次电子初始能量和发射角度的蒙特卡罗随机抽样算法,编制了3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE的金属边界二次电子发射功能模块,模拟金属双平板二次电子倍增过程,获得了二次电子倍增物理图像、二次电子数目随时间演化规律等结果。模拟结果不仅验证了理论分析,还表明在合适的条件下,空间电荷限制作用将导致二次电子倍增的饱和。     

材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增的影响

采用蒙特卡罗抽样与粒子模拟相结合的方法,数值研究了材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增瞬态演化及饱和特性的影响.研究发现:随着材料二次电子产额的增加,二次电子增长率以及稳态二次电子数目和振幅均呈现增加的趋势,放电电流起振时间逐步缩短,稳态电流幅值以及放电功率平均值和振幅值均呈现逐步增加并趋于饱和的规律,沉积功率波形延时以及脉宽呈现逐步增加并趋于饱和的趋势.粒子模拟给出了高/低二次电子产额情况下的电子相空间分布、电荷密度分布、平均碰撞能量、平均二次电子产额、二次电子数目和放电电流的细致物理图像.模拟结果表明:高二次电子产额材料,饱和时更倾向趋于单边二次电子倍增类型分布;低二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性由空间电荷场的"去群聚"效应和"反场"效应同时决定,而高二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性则主要是由发射面附近的强空间电荷场"反场"效应决定的.     

磁控溅射铂抑制镀银表面的二次电子发射

降低表面的二次电子产额是抑制微波部件二次电子倍增效应和提升功率阈值的有效途径之一,目前主要采用在表面构造陷阱结构和沉积非金属薄膜的方法降低二次电子产额,其缺点是会改变部件的电性能.针对此问题,采用在表面沉积高功函数且化学惰性的金属薄膜来降低二次电子产额.首先,采用磁控溅射方法在铝合金镀银样片表面沉积100 nm铂,测量结果显示沉积铂后样片的二次电子产额最大值由2.40降至1.77,降幅达26%.其次,用相关唯象模型对二次电子发射特性测量数据进行了拟合,获得了在40-1500 eV能量范围内能够准确描述样片二次电子产额特性的Vaughan模型参数,以及在0-50 eV能量范围内能够很好地拟合二次电子能谱曲线的Chung-Everhart模型参数.最后,将获得的实验数据和相关拟合参数用于Ku频段阻抗变换器的二次电子倍增效应功率阈值仿真研究,结果表明通过沉积铂可将部件的功率阈值由7500 W提升至36000 W,证实了所提方法的有效性.研究结果为金属材料二次电子发射特性的研究提供实验数据参考,对抑制大功率微波部件二次电子倍增效应具有参考价值.     

横磁模下介质表面二次电子倍增的抑制

在介质加载加速器结构(DLA)内, 提出采用刻槽结构结合外加磁场的方法用于在电磁场横磁(TM)模式下抑制介质表面的电子倍增. 通过理论分析和数值模拟, 比较了刻槽结构和纵向磁场对斜面上电子碰撞能量和渡越时间的影响, 得到了在介质表面同时存在法向RF电场及切向RF电场时, 采用刻槽结构并施加一定的纵向磁场强度, 可有效抑制二次电子倍增的发展, 提高介质面的击穿阈值.     

近程碰撞对He+离子诱发背向电子发射贡献比例的计算

用Monte Carlo方法模拟了高速He+离子入射到C，Cu和Al固体表面所诱发的电子发射.用这个程序计算了背向的电子发射产额，并且同时计算了近程碰撞对总的背向电子发射产额的贡献比例，对C，Cu和Al其值分别是05，055和0.42.对在近程碰撞中产生的高能δ电子（E＞10O eV）对背向电子发射行为的影响也进行了详尽地讨论，只有那些能量为几百个eV的δ电子对产额的贡献比例较大.对于C靶，δ电子对电子阻止本领最大值附近的二次电子发射行为会产生影响.计算所得到的电子发射产额与实验结果符合得很好. 关键词： 二次电子发射 Monte Carlo模拟 近程碰撞 δ电子     

两种外磁场形式对介质面次级电子倍增的抑制

利用自编1D3V PIC程序,数值研究了不同外加磁场方式对次级电子倍增抑制的物理过程,给出了次级电子数目、平均能量、密度、运动轨迹、渡越时间、介质表面静电场及沉积功率等物理量时空分布关系。模拟结果表明:不同方向外加磁场抑制次级电子倍增的机理有所不同。轴向外加磁场利用电子回旋运动干扰微波电场对电子加速过程,使其碰壁能量降低以达到抑制二次电子倍增的效果;横向外加磁场利用电子回旋漂移过程中,电子半个周期被推离介质表面（不发生次级电子倍增）,半个周期被推回介质表面（降低电子碰撞能量）的作用机理,达到抑制二次电子倍增的效果。讨论了横向磁场在回旋共振下,电子回旋同步加速导致回旋半径增大,电子能量持续增加的特殊过程。两种外加磁场方式都可以通过增加磁场达到进一步抑制次级电子倍增的目的。轴向外加磁场加载容易,但对磁场要求较高;横向外加磁场需要磁场较低,但加载较为困难。     

高能原电子能量与金属的有效真二次电子发射系数的关系

 提出有效真二次电子发射系数的概念,并从理论上论述了高能原电子的能量与金属的有效真二次电子发射系数的关系，然后用实验数据证明了该理论的正确性，最后对结果进行了讨论。得到了如下结论：不同入射能量的高能原电子轰击同一个金属发射体时， 它们的有效真二次电子发射系数与高能原电子入射能量之积近似为一个常量，有效真二次电子发射系数与高能原电子入射能量成反比。     

Novel Field Emission Organic Light Emitting Diodes with Dynode

This work presents novel field emission organic light emitting diodes(FEOLEDs) with dynode,in which an organic EL light-emitting layer is used instead of an inorganic phosphor thin film in the field emission display(FED).The proposed FEOLEDs introduce field emission electrons into organic light emitting diodes(OLEDs),which exhibit a higher luminous efficiency than conventional OLED.The field emission electrons emitted from the carbon nanotubes(CNTs) cathode and to be amplified by impact the dynode in vacuum.These field emission electrons are injected into the multi-layer organic materials of OLED to increase the electron density.Additionally,the proposed FEOLED increase the luminance of OLED from 10 820 cd/m2 to 24 782 cd/m2 by raising the current density of OLED from an external electron source.The role of FEOLED is to add the quantity of electrons-holes pairs in OLED,which increase the exciton and further increase the luminous efficiency of OLED.Under the same operating current density,the FEOLED exhibits a higher luminous efficiency than that of OLED.     

电子温度对霍尔推进器等离子体鞘层特性的影响

采用二维粒子模拟方法研究了霍尔推进器通道中电子温度对等离子体鞘层特性的影响, 讨论了不同电子温度下电子数密度、鞘层电势、电场及二次电子发射系数的变化规律. 结果表明: 当电子温度较低时, 鞘层中电子数密度沿径向方向呈指数下降, 在近壁处达到最小值, 鞘层电势降和电场径向分量变化均较大, 壁面电势维持一稳定值不变, 鞘层稳定性好; 当电子温度较高时, 鞘层区内与鞘层边界处电子数密度基本相等, 而在近壁面窄区域内迅速增加, 壁面处达到最大值, 鞘层电势变化缓慢, 电势降和电场径向分量变化均较小, 壁面电势近似维持等幅振荡, 鞘层稳定性降低; 电子温度对电场轴向分量影响较小; 随电子温度的增大, 壁面二次电子发射系数先增大后减少. 关键词： 霍尔推进器 等离子体鞘层 电子温度 粒子模拟     

质子束团传输过程中的二次电子多级倍增

电子云不稳定性是强流质子加速器稳定运行的一个重大障碍。在电子云积累的过程中,二次电子多级倍增是电子云的主要来源。二次电子多级倍增机制可以用电子的运动和能量增益来分析。为了得到电子云的密度及分布,编写了一个模拟程序用来跟踪电子云的发展演化过程。分析了在质子束团作用下电子的运动,分析二次电子多级倍增的原因,并用模拟程序进行了计算,结果发现电子云与束团的纵向分布密切相关。     

虚阴极振荡激励高功率微波的数值模拟

模拟了轴对称虚阴极振荡器产生微波的过程。根据实验装置的特点,建立了理想的物理模型。从物理学的基本规律出发,用CIC方法编制了二维空间、三个动量分量的2 1/2维、全电磁、相对论性的数值模拟程序。选择柱状电子束进行模拟,获得了正确的计算结果和清晰的物理图象,并对计算结果作了分析。     

Importance of high local cathode spot pressure on the attachment ofthermal arcs on cold cathodes

The importance of having high local cathode spot pressures for the self-sustaining operation of a thermal arc plasma on a cold cathode is theoretically investigated. Applying a cathode sheath model to a Cu cathode, it is shown that cathode spot plasma pressures ranging 7.4-9.2 atm and 34.2-50 atm for electron temperatures of ~1 eV are needed to account for current densities of 10⁹ and 10¹⁰ A·m^-2, respectively. The study of the different contributions from the ions, the emission electrons, and the back-diffusing plasma electrons to the total current and heat transfer to the cathode spot has allowed us to show the following. 1) Due to the high metallic plasma densities, a strong heating of the cathode occurs and an important surface electric field is established at the cathode surface causing strong thermo-field emission of electrons. 2) Due to the presence of a high density of ions in the cathode vicinity, an important fraction of the total current is carried by the ions and the electron emission is enhanced. 3) The total current is only slightly reduced by the presence of back-diffusing plasma electrons in the cathode sheath. For a current density j_tot=10⁹ A·m^-2 , the current to the cathode surface is mainly transported by the ions (76-91% of j_tot while for a current density j_tot = 10¹⁰ A·m^-2, the thermo-field electrons become the main current carriers (61-72% of j_tot). It is shown that the cathode spot plasma parameters are those of a high pressure metallic gas where deviations from the ideal gas law and important lowering of the ionization potentials are observed     

介质窗横向电磁场分布下的次级电子倍增效应

本文利用自编P3D3V PIC程序, 数值研究了BJ32矩波导传输TE₁₀模式高功率微波在介质窗内、 外表面引发的次级电子倍增过程, 给出了次级电子3维空间位置分布特征、介质窗表面法向静电场分布规律以及电子数密度分布特性. 模拟结果表明: 对于介质窗内侧, 微波强场区域率先进入次级电子倍增过程; 而对于介质窗外侧, 则是微波弱场区域优先进入次级电子倍增过程. 形成机理可以解释为: 微波坡印廷矢量方向与介质窗外表面法向相同而与内表面法向相反, 内侧漂移运动导致强场区域电子易于被推回表面, 有利于次级电子倍增优先形成; 外侧漂移运动导致强场区域电子易于被推离表面, 不利于次级电子倍增形成. 准3维模型相对1维模型: 介质窗内侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间长、饱和次级电子数目少、平均电子能量高、 入射微波功率低、沉积功率低; 介质窗外侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间短、饱和次级电子数目少、平均电子能量低、 入射微波功率低、沉积功率低. 沉积功率与入射微波功率比值与微波模式、强度及介质窗内外侧表面关系不大, 准3维和1维模型计算结果均在1%–2%左右水平. 关键词： 高功率微波 介质表面次级电子倍增 粒子模拟 横向电磁场分布     

Quantum-Confined Stark Effects in a Single GaN Quantum Dot

Using analytical expressions for the polarization field in GaN quantum dot, and an approximation by separating the potential into a radial and an axial, we investigate theoretically the quantum-confined Stark effects. The electron and hole energy levels and optical transition energies are calculated in the presence of an electric field in different directions. The results show that the electron and hole energy levels and the optical transition energies can cause redshifts for the lateral electric field and blueshifts for the vertical field. The rotational direction of electric field can also change the energy shift.     

Surface‐Driven Asymmetry and Instability in the Acceleration Region of Hall Thruster

It has been shown experimentally that the channel wall material has a substantial effect on the behaviour of Hall discharges. For this reason, the radial profile inside the Hall thruster SPT‐100 is investigated in detail. This is done by a one‐dimensional fully kinetic self‐consistent Particle‐in‐Cell model between the two walls in the acceleration region of the channel. A detailed Monte Carlo probabilistic model for secondary electron emission is implemented as boundary module. Using the local field approximation, two different operative conditions (axial electric field E_z =100 V/cm and 300 V/cm) have been simulated. For high discharge voltage case, a strong radial asymmetry and a stream instability propagating all along the radial domain are detected, while in the low voltage case a stable classical situation is recovered. The critical parameters for triggering this unstable regime are the electron azimuthal drift energy and the induced secondary electron emission, while the saturation mechanism is the increasing of the temperature of the initially cold secondary‐electrons. (© 2008 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)