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二极管间隙距离对场致发射过程中空间电荷效应的影响

左应红 王建国 范如玉

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二极管间隙距离对场致发射过程中空间电荷效应的影响

左应红, 王建国, 范如玉

Influence of diode gap distance on space charge effects in field emission

Zuo Ying-Hong, Wang Jian-Guo, Fan Ru-Yu
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  • 在强电场条件下, 由阴极通过场致发射产生的电子具有很强的空间电荷效应, 因此真空二极管的空间电荷限制电流是设计高功率微波源等强流电子束器件时需要考虑的重要参数. 场致发射电流密度只和阴极材料、阴极表面电场等有关, 而空间电荷效应则会受二极管电压、间隙距离等因素的影响. 为研究二极管间隙距离对场致发射过程中空间电荷效应的影响, 建立了由场致发射阴极构成的一维平板真空二极管物理模型, 利用第一性原理的粒子模拟方法, 研究了二极管间隙距离和外加电压等参数变化时的阴极表面电场随时间的演变特性, 得到了阴极表面稳态电场和二极管间隙距离之间的关系. 结果表明, 场致发射过程开始后, 阴极表面电场先有个振荡过程, 随后趋于稳定; 在同一外加电场条件下, 间隙距离越长, 稳态电场的绝对值越小, 且达到稳态所需的时间也越长; 间隙距离越短, 当阴极表面电场达到稳定状态时, 二极管间隙区的电场分布变化越剧烈.
    Under intense electric field, the electrons emitted from the cathode by field emission have strong space charge effects, so the space charge limited current of a diode is an important parameter in the design of many intense electron beam apparatus, such as the high power microwave source devices. The field emission current density depends on cathode material and electric field at the cathode surface, while the space charge limited current density is a function of applied voltage and diode gap distance. To investigate the influence of the diode gap distance on space charge effect in field emission, in the paper we build a model of a planar vacuum diode operating with a field emission cathode. The time evolutions of the electric field at the cathode surface with various diode gap distance and applied voltage are studied using the particle-in-cell method, and the steady value of the electric field at the cathode surface is obtained. The electric field at the cathode surface first oscillates and finally reaches a steady state. At a given applied electric field, the longer the diode gap distance, the higher the absolute value of the electric field at the cathode surface is, and it takes more time to reach the steady state for longer diode gap distance; the distribution of the electric field in the diode gap region is steeper for shorter diode gap distance after the electric field at the cathode surface has reached a steady state.
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-04-03
  • 修回日期:  2012-06-01
  • 刊出日期:  2012-11-05

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