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。

真空二极管阴极表面场致发射模型的研究

为研究真空二极管阴极表面场致发射模型的算法及数值模拟参数对场致发射过程的影响,建立了计算阴极表面电场强度的有限差分近似模型和高斯定理模型,并基于高斯定理模型自行编程对不同间隙距离的二极管进行模拟计算。模拟得到了场致发射过程中阴极表面电场随时间的演变特性及阴极表面稳态电场与外加电场之间的关系,还将阴极表面稳态电场的模拟结果与理论分析结果进行了对比。研究结果表明,空间网格划分数目的多寡对基于高斯定理场致发射模型计算得到的阴极表面电场的影响不大;每个宏电子包含真实电子的数目、二极管间隙距离、二极管外加电场强度等参数均会对数值模拟结果产生显著影响。

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—9×109V/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.