基于模拟电荷法的微间隙场增强因子研究

运动电极下的微间隙是国际电工委员会推荐安全火花试验装置(IEC-STA)短路火花放电体系的核心组成部分,也是研究装置短路放电特性、揭示短路放电机理的关键性难点.为研究其短路放电特性,运用扫描电镜对其电极进行了扫描分析,重构了最危险打火情形下的电极表面形貌模型.基于模拟电荷法建立了阴极表面场强的数学模型,并对传统模拟电荷法进行了改进,给出了其参数设置、算法流程及病态矩阵处理方法,并对场增强因子进行了数值计算.数值计算结果表明,对于给定的微凸起高度,场增强因子与微凸起密度并不成简单的单调关系,而是存在使场增强因子最大的微凸起密度;对于给定的微凸起密度,在电极间距较大的情况下,场增强因子随间距成单调递减关系,反之,则随间距的减小而增大.数值计算结果为IEC-STA短路放电特性研究奠定了基础.

短间隙短路放电的场增强因子研究

运用扫描电镜对IEC安全火花试验装置电极系统的微观表面形貌进行了扫面测试,测试结果表明镉盘电极表面存在高度和半径均为微米量级的微凸起,而钨丝电极表面无明显微凸起;以镉盘为阴极,建立了电极系统的短路放电物理模型以及单个微凸起的圆柱形等势阱模型。运用分离变量解法,推导得出阴极金属表面微凸起引起场增强因子β0的解析表达式。根据电极表面电物理的微观不均匀性,推导出了微附加物作用下场增强因子β1的计算公式。指出该放电过程中,进行场增强因子计算时,须综合考虑电极表面微凸起及微附加物的作用,综合场增强因子β在数值上等于上述两增强因子之积,即β=β0β1。运用IEC安全火花试验装置进行了电容短路放电实验,实验结果验证了理论分析及计算公式的正确性。

碳纳米管电荷分布对电子发射场增强因子影响的研究

本文通过分析碳纳米管的电荷分布规律,巧妙地将处于外电场中且端口封闭的金属性碳纳米管等效成电荷非均匀分布的球面,获得了包括端部球面电荷、管壁电荷与镜像电荷共同作用的场增强因子为β=1.14h/R+2.62。结果表明:场增强因子是碳纳米管长径比h/R的线性函数,并与电荷分布密切相关。在此基础上,研究发现35%的管壁电荷对碳纳米管电子发射的场增强因子贡献约为9.7%,但仍远大于镜像电荷的影响。根据模型中电荷非均匀分布导致碳纳米管各处局域电场大幅度变化,解释了仅在球面的一定区域才大量发射电子且发射电流密度不均匀的实验现象。

碳纳米管场增强因子计算模型的研究

场增强因子(β)是评价碳纳米管场发射性能的重要参数之一。本文介绍了几种计算β的模型,分析了各种因素对β的影响。通过对所得β表达式进行比较,总结了不同模型中影响场增强因子的主要因素。

基于有限元轴对称分析的碳纳米管场增强因子建模与计算

通过采用二维建模而后旋转成为三维模型的轴对称分析,提出了一种基于有限元轴对称分析的碳纳米管建模方法,并计算了不同长径比的碳纳米管的场增强因子。通过对比轴对称模型与立体模型分析结果,证明轴对称模型在提高了网格划分精度的同时减小了计算量,提高了计算效率,并为类似的具有旋转对称特性的模型分析提供了一种切实可行的建模方法。相关计算表明,碳纳米管的场增强因子与其长径比的函数关系为β=h/ρ+2.00。

六角排列碳纳米管阵列的场增强因子的计算

通过求解Laplace方程得到六角排列的碳纳米管(CNTs)阵列的管尖端电场强度和场增强因子,具体研究CNTs的自身线度、阵列密度及阵列形状对CNTs的场增强因子的影响.研究结果表明,场增强因子随CNTs长径比的增加而增加,对于长径比一定的CNTs阵列,对应着一个最佳阵列密度,如管长为6μm、管径分别为5 nm、13 nm、20 nm的CNTs阵列对应的最佳阵列密度为3.05×1011cm-2、4.83×1010cm-2、2.12×1010cm-2.在相同的阵列密度下,六角排列CNTs阵列的场发射性能要优于四方排列的CNTs阵列.计算得到六角排列CNTs阵列上端面的电势分布曲线.

一种平行背栅极碳纳米管阵列的场增强因子计算

建立一种平行背栅极碳纳米管阵列阴极,基于电场叠加原理,利用镜像电荷法对其进行计算,给出碳纳米管顶端表面电场增强因子。在此基础上,进一步分析器件各类参数对电场增强因子的影响。分析表明,碳纳米管阵列阴极具有最佳阵列密度,其对应碳纳米管间距大约为碳纳米管高度的两倍,靠阴极阵列边缘部位的碳纳米管发射电子能力比其中心部位的大。除了碳纳米管的长径比之外,栅极宽度、栅极厚度和栅极间距等也对电场增强因子有一定的影响:栅极越宽,场增强因子越大;而栅极厚度、栅极间距越大,场增强因子就越小。

基于小波神经网络预测单个碳纳米管的场增强因子和开启电压

针对单个碳纳米管的场发射特性参数与几何结构之间的复杂非线性关系,构造了一种多输入多输出的小波神经网络结构来预测单个碳纳米管的场发射增强因子和开启电压,并采用BP算法和自适应的学习速率加快网络训练的收敛速度.网络的训练结果和测试结果表明,预测输出值与实验值之间的误差在2.36%以内,充分说明小波神经网络可以较好地预测碳纳米管的场发射特性.

开口碳纳米管电子发射场增强因子的研究

利用镜像电荷模型计算了处于外加电场中开口碳纳米管顶端的电势和场强,得到电子发射场增强因子为γ=2(2h/ρ+1)/[ln16(1+16R2/ρ2)]-1。结果表明:外加电场与纳米管的几何参数会影响其顶端的局域电场,从而影响电子场发射;γ与长厚比h/ρ和径厚比R/ρ有关。特别,当管长h一定时,管壁厚度ρ比管的有效半径R对γ的影响更加显著。

环形阴极宏观场增强因子计算研究

环形阴极是一种结构场增强型阴极,能有效提高电子发射性能,广泛应用于脉冲硬X射线负载、强流电子束装置及高功率微波系统中,对其宏观场增强效应计算研究具有重要意义。本文采用电荷等效法和镜像法相结合的方法,建立阴阳极间隙空间电场的理论计算模型,获得阴极表面电场分布及其宏观场增强因子,并拟合给出宏观场增强因子的经验估算公式。计算结果表明,当阴阳极间隙与阴极环宽之比(d/w)<5,环形阴极宏观场增强因子与d/w呈良好的线性关系,理论计算结果与Ansoft软件模拟结果基本一致。

纳米碳管阵列场增强因子的计算

采用悬浮球模型,结合对称的镜像电荷层方法,对静电场中纳米碳管阵列的场增强因子进行了计算,并在考虑极板间距的情况下,对其计算结果做了修正.结果表明:纳米碳管阵列的间距对纳米碳管阵列的场发射性能影响很大.当纳米碳管阵列中碳管间距小于碳管高度时,场增强因子随间距的减小而急剧减小;而当碳管间距显著大于碳管高度时,场增强因子几乎不变.但当考虑阴阳极之间单位面积通过的场发射电流时,可论证当管间距与管高度相若时,能使场发射电流密度最佳(最大).另外,极板间距对场增强因子的影响很小,但是可以通过减小极板间距,来降低纳米碳管作为场发射体的场发射的开启电压,优化纳米碳管的场发射性能.

带栅极纳米线冷阴极的场增强因子研究

场增强因子是体现场发射冷阴极器件性能优劣的重要参数.利用静电场理论给出了一种带栅极(normal-gated)纳米线冷阴极的场增强因子表示式β=k11/2(N^2.(L-d_1)~2+[1/k_1+(L-d_1)]~2),且进一步分析了几何参数对场增强因子的影响.结果表明,纳米线突出栅孔的部分(L-d1)与栅孔半径越大,则场增强因子越大;而纳米线半径越小,则场增强因子越大;当L远大于d1时满足β∝L/r0.其中N=N1(k1r0)/N0(k1r0),N0(k1r0)和N1(k1r0)分别代表零阶和一阶Neumann函数,k1=0.8936/R,R为栅孔半径,L为纳米线长度,r0为纳米线半径,d1表示阴极与栅极间距.

栅极调制纳米线的场增强因子计算

利用悬浮球模型和镜像电荷法计算了栅极调制纳米线的顶端表面电场,给出了场发射增强因子表达式β=1/2(3.5+L/r0+W),式中L与r0分别是纳米线长度与顶端表面曲率半径,W是由栅孔半径R、阴极与栅极间距d以及纳米线自身几何参数所决定的函数.结果表明,纳米线长径比对场增强因子的影响很显著;当阴极与栅极间距较近时,场增强因子随d的增加而减小,而当栅极处于无穷远时,纳米线场增强因子的表示式变成β0=3.5+L/r0;栅孔半径越小,场增强因子就越大,当栅孔半径趋于零时,场增强因子为β=β0+1.202(L/d)3.

基于有限元参数化设计的碳纳米管的场致增强因子计算

碳纳米管由于尺寸极小 ,它具有很大的场增强因子 ,且场发射稳定 ,这些特性使碳纳米管成为一种性能优良的场致发射材料。影响碳纳米管发射电流的重要参数是场增强因子 ,这需要求解拉普拉斯方程 ,由于理论解求解很困难 ,有限元方法成为一种有效的工具。使用有限元程序ANSYS对碳纳米管的静态电场进行了计算 ,建立了单根碳纳米管的模型 ,确定了边界条件。研究了金属型碳纳米管尖端周围的电场强度分布 ,为了更好地了解碳纳米管顶端附近的电场对长径比的影响 ,使用了参数化设计语言APDL ,使得分析效率大大提高 ,并且计算结果与实际情况相符。说明这种方法是正确。

不同磁场电极配置下脉冲电压的预击穿与击穿现象研究

通过建立击穿实验平台,研究在合成酯油中环-平面间隙的预击穿与击穿现象和流注形状、长度、速度、击穿电压及起始位置,并与针-平面间隙进行比较。研究表明,当环形电极具有较小的环形半径时,击穿电压几乎相同,但流注速度对施加的电压更敏感;通过引入场增强因子以解释具有场不均匀性的实验结果,实验证明场增强因子是决定击穿现象是否发生的重要指标之一。研究结果可用于变压器安全性设计及技术改进,为变压器油的击穿特性提出新的研究思路。

碳纳米管场发射特性研究

从Fowler Nordheims理论出发 ,对实验中测得的碳管场发射中ln(I/V2 )～ 1/V并不是严格的线性关系进行了分析 ,认为主要是碳管吸附态 (主要是水蒸气 )的改变引起有效功函数改变 ,同时随着发射电流的增大 ,个别较长碳管表面的突起在残余气体离子轰击下变得平滑甚至缩短 ,热熔化也可能造成碳管缩短 .另一方面 ,随着电场强度的增大 ,较短碳管的场发射对总发射电流的贡献也相对提升 这些因素都会造成场发射中F

电化学生长纳米枝状ZnO及其场发射性能研究

采用电化学沉积法在阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的作用下生长纳米枝状氧化锌(ZnO),通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和场发射测试,系统研究了不同沉积时间下纳米枝状ZnO的形貌、结构与场发射性能.研究结果表明:由于表面活性剂中阴离子的位阻效应,导致在ZnO主干上电化学生长了多个ZnO的分枝,并且纳米枝状ZnO的场发射性能随着沉积时间的增加出现先升高后降低的趋势.其场发射性能的提高主要取决于ZnO主干上分枝的形貌和密度,在沉积时间为90 min时,每支ZnO的主干上分别生长了约2~10个分枝,获得最佳的纳米枝状ZnO场发射性能,开启场强低至1.54 V/μm,场增强因子高达59 739.

薄膜场发射阴极中纳米线密度的理论优化

现在人们正在研究各种纳米线薄膜 ,因为它们很有可能成为新一代的场发射阴极而被应用于平面显示器等器件中。研究表明 ,除了纳米线的物理特性 ,薄膜的场发射特性也强烈地依赖于纳米线阵列的几何构造。一方面 ,薄膜阴极的纳米线阵列密度要足够大 ,使得大量的场发射源能够产生。另一方面 ,过大的密度带来的屏蔽效应将严重削弱纳米线尖端的局域电场。在本文的参数下 。

单壁碳纳米管场发射计算

本文以Maxwell电磁场理论为基础,对金属型单壁碳纳米管场发射阴极尖端附近的电场进行了计算,给出了不同结构单壁碳纳米管尖端附近的电场分布,发现场强沿管的径向及轴向方向随与管尖端距离的增加而迅速下降,说明了碳纳米管产生的激发场为极强的小范围局域场。通过计算不同几何尺寸单壁碳纳米管的场增强因子随其长度、半径的变化曲线,发现单壁碳纳米管的场增强因子数值非常大,并且根据曲线的变化规律可知,越细越长的单壁碳纳米管具有更大的场增强因子,同时也表明了单壁碳纳米管作为场发射阴极具有低的阈值和大的发射电流密度。本文所得结果为单壁碳纳米管做场发射材料提供了理论参考。

栅极调制纳米线的场发射特性

建立一个理想的带栅极纳米线模型,利用静电场理论计算出纳米线顶端电场增强因子,进一步分析了栅孔半径以及栅极电压等参数对电场增强因子和纳米线顶端表面电流密度的影响。结果表明,在加较大的栅极电压的情况下栅孔半径越小,电场增强因子就越大,且随着栅极电压的增加电场增强因子近似地线性增加;而当栅极电压等于零(或接近于零)时栅孔对纳米线表面电场的屏蔽效应较显著,栅孔半径越大,电场增强因子反而越大;电流密度在纳米线顶端边缘处最大,而且随着栅极电压的增加而呈指数增加。