為研究真空二極管陰極表面場(chǎng)致發(fā)射模型的算法及數(shù)值模擬參數(shù)對(duì)場(chǎng)致發(fā)射過程的影響，建立了計(jì)算陰極表面電場(chǎng)強(qiáng)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編程對(duì)不同間隙距離的二極管進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬得到了場(chǎng)致發(fā)射過程中陰極表面電場(chǎng)隨時(shí)間的演變特性及陰極表面穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)與外加電場(chǎng)之間的關(guān)系，還將陰極表面穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)的模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明，空間網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目的多寡對(duì)基于高斯定理場(chǎng)致發(fā)射模型計(jì)算得到的陰極表面電場(chǎng)的影響不大; 真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為每個(gè)宏電子包含真實(shí)電子的數(shù)目、二極管間隙距離、二極管外加電場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)均會(huì)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。

　　場(chǎng)致發(fā)射廣泛應(yīng)用于真空電子器件中，尤其是在高功率脈沖研究領(lǐng)域，為產(chǎn)生強(qiáng)流電子束，真空二極管陰極通常要工作在場(chǎng)致爆炸發(fā)射狀態(tài)下，以便獲得大于1 kA 的強(qiáng)電流，場(chǎng)致發(fā)射作為場(chǎng)致爆炸發(fā)射的起始階段扮演著非常重要的角色。陰極表面在強(qiáng)電場(chǎng)條件下的場(chǎng)致發(fā)射物理過程十分復(fù)雜，F(xiàn)owler 等從量子力學(xué)基本原理出發(fā)，研究得到了場(chǎng)致發(fā)射電流密度與陰極表面電場(chǎng)及陰極材料功函數(shù)之間的關(guān)系。除實(shí)驗(yàn)研究和理論分析外，數(shù)值模擬方法也是研究二極管陰極場(chǎng)致發(fā)射物理過程的重要手段之一，數(shù)值模擬方法通常采用PIC( Particlein-Cell) 粒子模擬方法完成，模擬中一個(gè)重要環(huán)節(jié)是對(duì)電子發(fā)射及吸收等邊界的設(shè)置，邊界是否合理關(guān)系到數(shù)值模擬結(jié)果是否正確。場(chǎng)致發(fā)射的物理尺度與典型情況下粒子模擬所采用的網(wǎng)格尺度相比而言非常小，因此需要對(duì)場(chǎng)致發(fā)射邊界模型進(jìn)行細(xì)致研究。桌紅斌等在對(duì)等離子體熔斷開關(guān)的模擬工作中所建立的場(chǎng)致發(fā)射邊界認(rèn)為，對(duì)于已經(jīng)形成場(chǎng)致發(fā)射的邊界，陰極表面充滿了等離子體，進(jìn)而假定陰極表面法向上的電場(chǎng)為零，并且場(chǎng)致發(fā)射的開啟是通過人為設(shè)定一個(gè)閾值EBD = 109 V/m 來實(shí)現(xiàn)的，而實(shí)際的情況中，場(chǎng)致發(fā)射形成后，陰極表面的電場(chǎng)并不為零。本文建立了基于高斯定理的場(chǎng)致發(fā)射模型，并在此基礎(chǔ)上采用PIC 靜電模型編程模擬了具有不同間隙距離及外加電場(chǎng)等物理參數(shù)的二極管的運(yùn)行過程，重點(diǎn)關(guān)注陰極表面電場(chǎng)強(qiáng)度這一物理量，研究了不同計(jì)算參數(shù)如空間劃分網(wǎng)格數(shù)目、每個(gè)宏電子中代表真實(shí)電子數(shù)目等對(duì)模擬結(jié)果的影響，并將模擬得到的陰極表面電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)值和理論分析解進(jìn)行了比較。

　　結(jié)論

　　本文建立了真空二極管陰極表面的場(chǎng)致發(fā)射模型，先在二極管間隙區(qū)求解泊松方程得到電勢(shì)和空間電場(chǎng)分布，然后基于高斯定理模型計(jì)算出場(chǎng)致發(fā)射過程中陰極表面的電場(chǎng)。重點(diǎn)研究了空間網(wǎng)格數(shù)目、每個(gè)宏電子所代表真實(shí)電子的數(shù)目等計(jì)算參數(shù)與二極管間隙距離、二極管外加電壓等物理參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響。研究結(jié)果顯示，將空間劃分網(wǎng)格數(shù)目的多寡對(duì)基于高斯定理的場(chǎng)致發(fā)射模型的計(jì)算結(jié)果影響不大，而每個(gè)宏電子所代表真實(shí)電子數(shù)目則會(huì)對(duì)結(jié)果有較大影響，實(shí)際的模擬計(jì)算中應(yīng)通過試算并權(quán)衡計(jì)算時(shí)間后選取一個(gè)合理值。在選取合適的計(jì)算參數(shù)后，陰極表面穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)的模擬計(jì)算結(jié)果和理論分析解符合得較好。研究結(jié)果還表明，二極管間隙距離越大，陰極表面電場(chǎng)振蕩達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間越長(zhǎng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度也越低; 二極管間隙距離一定時(shí)，陰極表面穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)強(qiáng)度隨著外加電場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大。