热阴极逸出功非均匀性对本征发射度的影响

热阴极广泛应用于真空电子器件、加速器、自由电子激光等各类束流装置,热阴极表面状态非均匀性对束流本征发射度有着显著的影响.本文推导了非均匀发射阴极的均方根本征发射度理论形式,并分析了逸出功非均匀性及其统计效应对本征发射度的影响.针对逸出功径向和一维余弦分布模型,计算了均方根发射度与逸出功非均匀性关系的理论数值解;基于有限差分法粒子仿真技术,开发了专用于阴极仿真的程序YY-PICMC,并验证了理论形式的正确性;针对逸出功二维余弦分布模型进行了理论和仿真分析,结果表明逸出功分布空间频数对均方根发射度涨落有显著影响,当空间频数趋于无限大时,发射度增长系数趋于1,即逸出功均匀阴极的情形;最后,分析了最接近真实阴极表面状态的二维逸出功随机分布模型,仿真结果表明随着空间频数增加,发射度增长系数统计方差逐渐减小,符合余弦模型结果的预期.本文建立的理论形式和仿真方法可以用于评估各类阴极表面逸出功空间非均匀性特征对束流本征发射度的影响程度.

热阴极径向温度非均匀性对本征发射度的影响

从热发射理论出发,推导了非均匀发射阴极的均方根本征发射度的一般计算形式。针对一种最常见的温度径向分布近似模型,给出了均方根发射度随温度非均匀性变化趋势的理论数值解。基于有限差分法粒子仿真技术统计了热阴极的本征发射度,仿真结果与理论解一致,验证了非均匀发射热阴极本征均方根发射度一般形式的正确性。结果表明,径向温度非均匀性引起均方根发射度显著变化,非均匀系数为10%时引起均方根发射度下降约15%。本文建立的理论形式和仿真方法可以有效评估束流品质控制目标和工程热设计之间的依赖关系,以指导高效费比的工程设计。

表面粗糙度对热阴极本征发射度的影响

本文推导了热阴极表面粗糙特征影响均方根本征发射度的理论形式,并结合仿真方法分析了粗糙幅度、周期以及外加电场对束流发射度的影响。首先,针对二维余弦表面形貌,首次推导了粗糙特征影响热阴极本征发射度的完整理论形式。理论解表明发射度随着粗糙幅度增加而增加,随粗糙周期增加而降低,随外加电场近似为正比关系。随后,基于有限差分粒子仿真程序YYPICMC,分析了二维余弦表面粗糙特征对本征发射度的影响,仿真结果与理论解有显著差异:当粗糙幅度增加到一定值后,发射度增长系数趋于平缓;当粗糙周期很小时,发射度增长系数也趋于一个较低的值,而非随着周期减小而迅速增大。结合发射电流随粗糙特征的变化、粒子轨迹随外电场的变化以及空间电荷效应对发射度增长的影响,对引起这种差异的机制进行了深入分析,结果表明这种差异是由理论解本身的局限性造成时。最后,针对理论模型的局限性,提出了引入“曲面比效应”和“初始粒子损失效应”改进“发射度-粗糙度”理论模型的思路。