高超飞行器电子发汗冷却热响应模型及数值模拟研究

高超声速飞行器前缘等尖锐部件在飞行过程中承受剧烈气动加热,表面温度可高达2000~3000 K以上,其热防护系统已成为制约飞行器突破飞行速度和航时极限的关键技术瓶颈。本文研究了一种基于电子发汗冷却的新型主动热防护技术路线,在电子热发射及冷却功率理论模型基础上构建了前缘热平衡方程,并基于Navier-Stokes方程耦合双温模型和11组分反应模型,运用计算流体动力学方法研究了前缘部件在不同条件下的热响应。结果表明,来流速度、前缘材料功函数、前缘曲率半径对电子发汗冷却效果均有显著影响。来流速度越高、前缘功函数越低、前缘曲率半径越小,电子发汗冷却所产生的温降幅度越大;在理想条件下,电子发汗冷却可产生超过40%幅度的降温效果,揭示了其应用于新一代主动热防护系统的潜力。

金属热-场电子发射特性研究

用一简单直观的金属电子发射物理模型 ,对热、Schottky、热 场和场致电子发射进行了分析 ,定义了热隧道电子的新概念 .用数值方法对常用发射材料 (W )的热隧道电子电流部分进行了计算 ,并采用比值拟合的方法 ,得到了该部分电子的发射电流密度与温度及场强的关系式 .在此基础上 ,可求出W的热 场电子发射方程 .用该方法能清晰地了解金属的电子发射机理 ,从而为热 场阴极的研究开发提供了理论依据 .

热场致电子发射阴极表面电场瞬态响应特性模拟

为研究热场致电子发射过程中复杂的非线性空间电荷限制效应和阴极表面电场的瞬态物理过程及特性,基于通用积分形式的热场致电子发射电流密度理论,建立了平板二极管的静电粒子模拟物理模型,以热场致电子发射阴极为边界,模拟获得了热场致发射阴极表面电场的瞬态时间响应曲线。研究结果表明,热场致电子发射过程中,阴极表面电场在皮秒量级时间尺度上呈现为振荡过程,振荡波形特征受二极管间隙距离、阴极材料、逸出功等几何参数和外加电场、温度等运行参数影响;振荡后,二极管阴极表面电场将达到稳定状态,模拟得到的稳态电场与理论分析结果相符;二极管热场致电子发射的外加电场和温度一定时,逸出功越大,阴极表面稳态电场强度越大;二极管阴极材料和外加电场一定时,阴极表面稳态电场强度取决于阴极表面的温度,随温度的升高稳态电场强度呈非线性下降。

热场发射电子枪在电子束光刻机中的应用研究

介绍了电子枪的分类与特点,重点介绍了热场发射电子枪的原理、结构、特点及在电子束光刻机中的应用。阐述了电子束光刻机束流与电子枪提取极电流之间关系,并分析了热场发射电子枪各个参数对提取极电流的影响。研究了热场发射电子枪的调校对电子束光刻工艺的影响,并通过实验得出束斑与束流的关系。最后通过调整电子枪参数,制备了不同的光刻图形,满足了不同的光刻工艺要求,验证了分析的结论。

深紫外激光光发射与热发射电子显微镜在热扩散阴极研究中的应用

对热扩散阴极表面微区发射状态进行原位观察和分析一直是热阴极研究的重要课题.本文着重介绍深紫外激光光发射电子/热发射电子显微镜的基本原理及其在热扩散阴极研究中的典型实例.系统配备了高温激活所用的加热装置,样品可被加热至1400℃.系统具有光发射电子、阴极热发射电子、光发射电子和阴极热发射电子联合三种电子成像模式.应用表明,对于热扩散阴极而言,深紫外激光光发射电子像适于呈现阴极表面的微观结构形貌;热发射电子像适于反映阴极表面的本征热电子发射及均匀性;光电子和热电子联合成像适于对阴极表面的有效发射点做出精确定位.

热扩散阴极微区热电子发射特征研究

在微米尺度开展热扩散阴极热电子发射特征研究,对了解阴极电子发射过程和理解阴极发射机理有一定的参考价值。本文利用深紫外激光光发射/热发射电子显微镜系统,对浸渍钡钨阴极、覆膜浸渍扩散阴极、浸渍钪酸盐阴极以及新型浸渍钪型阴极,开展了光电子、热电子显微成像分析。结果显示,浸渍钡钨阴极的热电子发射区域主要位于表面局部孔隙中;覆膜浸渍扩散阴极的电子发射区域沿孔隙向覆膜的钨颗粒表面延伸,阴极发射面积明显增加;浸渍钪酸盐阴极与新型浸渍钪型阴极表面拥有一定数量的高发射点,浸渍钪酸盐阴极的高发射点几乎都分布在阴极表面的钨颗粒边缘,而新型浸渍钪型阴极的高发射点不仅存在于钨颗粒边缘,同时也出现在部分钨颗粒表面。

安全火花试验电极热场致发射模型和温度效应的数值模拟研究

研究安全火花试验装置的镉盘试验电极温度分布和热场致电子发射特性为研究感性电路分断放电特性和揭示其电弧放电机理奠定理论基础。根据量子理论,热场致电子发射电流密度主要取决于阴极表面温度和外加电场等因素。因此基于椭圆积分法,推导出阴极电子穿透率的数学表达式,得出热场致电子发射电流密度与温度及外加电场之间的关系表达式;综合考虑试验电极的微观表面形貌、发射电流密度、焦耳热和热传导效应,数值计算阴极微凸起的表面温度变化规律。实例模拟仿真结果表明:当镉盘阴极表面温度在熔点和沸点范围内时,热场致电子发射电流密度随外电场和阴极表面温度的增大而非线性增加;在不同外加电场下,阴极微凸起温度随放电时间呈非线性增长,且增长率越来越大;阴极微凸起顶端温度在极短时间(ns级)内上升到熔点,从而引起其顶端局部发生微爆炸电子发射。这为进一步研究感性电路分断放电的微观机理和本安非爆炸性评价奠定了理论基础。

激光加热阴极式电子枪研究

针对目前主流热发射电子枪普遍存在的外加电流产生磁场从而影响热电子的问题,提出了激光加热阴极模式。该加热模式可有效消除磁场的影响,从而提高束流品质及阴极寿命。基于Q60-A电子束设备,通过仿真研究与实验验证,对激光加热阴极及电子运动过程进行系统分析,确定了激光器选型方案和束源部件结构优化方案。结果表明,推荐激光波长为1064 nm,阴极工作温度为2650 K,阴极达到工作温度所需激光功率为377 W,维持阴极工作温度基本稳定的临界功率为160 W,设计优化了新束源部件结构尺寸,当阴阳极间距离18 mm、阳极孔径10 mm、栅极球面半径20 mm时,电子束流品质理想,并通过实验验证了仿真结果的准确性及激光器选型的合理性。本研究为激光加热阴极式电子枪的系统化设计及工程化应用提供了参考依据和有益指导。

电子束蒸镀金膜表面黑色颗粒形成的机理研究

采用电子束蒸镀金膜时,会有微小的黑色颗粒出现在金膜的表面,这些黑色的颗粒形状大多不规则,尺寸集中在100 nm^-1μm之间,传统的蒸镀理论较难解释这些黑色颗粒的成因。本文尝试提出液态金属表面热发射电子引起液面上杂质颗粒“尖端放电”的理论来解释这一现象。这类电晕放电造成颗粒附近温度极高,瞬间将颗粒蒸发沉积在衬底。通过改变蒸镀功率,或保持功率不变,改变电子束斑点形状、落点位置等一系列实验,验证了理论的合理性。

一种新颖的高温除尘技术

介绍了无电晕静电除尘技术的工作原理和对最近筛选的新型阴极材料进行的动。

Li_2B_4O_7材料制备及性能的研究

采用Cz法生长出优质的Li2 B4O7(LBO)单晶 ,开展了压电性能及应用的研究 ,同时用Maker条纹测量了晶体的二次谐波系数d31和d33。用温梯法制备了LBO微晶玻璃 ,开展了热激发电子发射 (TSEE)性能的研究。

粒度调控对钡-钨阴极表面发射微区的影响

为了在微米尺度探究未分级钨粉、分级钨粉制备的钨基体在阴极热电子发射性能上的差异,深入了解阴极表面微区电子发射过程和阴极发射机理,采用新型深紫外激光发射电子显微镜/热发射电子显微镜系统(DUV-PEEM/TEEM)对2种钨粉制备的阴极表面进行了光电子、热电子成像分析。结果显示,与未分级钨粉相比,分级钨粉制备的钨基体的显微组织更加均匀,且闭孔率由1.44%降至0.47%;光电子+热电子联合成像精确得出2种阴极的发射均主要集中于孔隙及孔隙中的活性物质上;通过热电子图像对比及分析表明,分级钨粉制备的阴极的热电子发射微区面积更大、分布更均匀;且在1050℃工作条件下,分级钨粉制备的阴极的脉冲电流密度为30.79 A/cm^(2),发射斜率为1.38;综合分析显示,其具备更理想的本征热电子发射能力和发射均匀性。