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一、实验名称：固体中的电子发射及卫星电推进中和器应用虚拟仿真实验

二、实验原理：

1、电子发射理论仿真实验原理

由固体物理学可知，固体中含有大量电子，但这些电子在常态下所具有的能量是不足以逸出物体的，要使它们逃逸出来，必须给予额外能量，或设法减小阻碍它们逸出的作用力。根据外界激励机制不同，电子发射分为四种类型：热电子发射、场致电子发射、光电发射和二次电子发射。热电子发射是利用加热的方法使固体内部电子动能增加，部分电子动能大到足以克服表面势垒而逸出固体表面；场致电子发射是依靠很强的外电场压抑固体表面势垒，使势垒高度降低，宽度变窄，固体内大量电子通过隧穿效应逸出（图2）；光电发射是当物体吸收光辐射后，物体内部产生能量较大的电子，部分电子运动到达物体表面，克服表面势垒逸出；二次电子发射是具有一定能量的电子轰击物体表面引起二次电子从被轰击的物体表面发射出来。

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图2 场致电子发射的基本原理

2、卫星电推进中和器应用设计仿真实验模块

该模块以卫星电推进中和器作为电子发射应用载体，实验中涉及的电子光学系统为轴对称电极结构，故实验原理主要涉及电子在轴对称静电场内的运动规律。

首先，根据电场力公式可得电子在旁轴区内所受的电场力为：

（1）

决定了电子沿轴向受加速作用还是减速作用，而径向电场力的大小与电子的离轴距离
及沿轴电位的二阶微分
有关。将式（1）代入牛顿第二定律和动能守恒定律，可以得到电子在轴对称电场中的旁轴区运动轨迹方程：

（2）

根据上述理论基础，计算步骤包括划分空间网格，建立三维几何结构，计算电磁场分布，运行电子轨迹，得到电流密度。其中，电磁场分布利用逐次超松弛迭代方法，根据泊松方程或拉普拉斯方程计算出来。一旦求出电场分布，可以描绘出电子的运行轨迹。

图3（a）给出了卫星电推进中的离子推力器的工作原理。放电室内的空心阴极放电产生原初电子，在电磁场的作用下不断与推进剂气体分子发生碰撞，推进剂气体被电离，在放电室内形成等离子体。放电室内的等离子体在阳极正电势作用下，最终到达阳极表面，被阳极吸收，离子在栅极组件静电场作用下，聚焦加速喷出，产生推力。高速喷出的离子流再与推力器外中和器空心阴极产生的电子流中和，以保持航天器的电中性。

卫星电推进系统根据功能不同分为三个部分：高压电离装置、离子加速系统、中和器。中和器作为卫星电推进重要组成部分，其主要功能是发射电子束，中和推进器喷出的携带正电荷的高速离子，防止卫星放电或推力损失。本实验设计出卫星电推进中和器初始物理模型如图3（b）所示。

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（a）卫星电推进系统结构示意图 （b）中和器物理模型

图3 卫星电推进系统及中和器结构

三、实验目的：

1、掌握能带论及载流子输运特性；

2、掌握光电发射、热电子发射、场致电子发射和次级电子发射的机理；

3、了解电子发射应用领域，掌握电推进系统结构及工作原理；

4、完成电推进中和器电子光学系统的模拟（不同栅极倾角、栅极电压、阴-栅距等）。

实验内容：

本实验包括“电子发射原理基础仿真”和“卫星电推进中和器应用设计仿真”两个模块实验，如图1所示。其中，“电子发射原理基础仿真”包括电子发射原理仿真和电子发射应用领域两个环节；“卫星电推进中和器应用设计仿真”包括电子光学理论学习及卫星电推进中和器仿真两个环节。

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图1 实验系统示意图

1）模块一：分别仿真固体温度、固体表面电场强度、入射光强及入射原电子能量对电子运动和 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 完成阴极发射电流和阳极收集电流的仿真计算。

10）学生根据仿真结果，结合电流要求判断设计参数是否合理。不合理时，点击“重新选择参数”。

11）根据电流仿真结果，学生计算组件功耗。

12）学生根据指标要求判断组件功耗合理性，不合理时，点击“重新选择参数”；合理时，手动输入功耗值。

13）点击“启动”，系统自动判断设计的合理性。设计成功，飞行器启动飞向目标；若不满足设计要求，任务启动失败，页面给出警示。

14）观察并分析系统提供的中和器的电场分布、电子轨迹、电子束斑仿真结果。

15）改变各结构参数，获得不同结构下的实验结果。

16）点击“重新选择实验”，进行另外的仿真实验。

17）根据实验结果，撰写并提交实验报告。

六、实验记录

模块一：电子发射原理基础仿真

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光电发射

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热电子发射

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场致电子发射

/

二次电子发射

模块二：卫星电推进中和器应用设计虚拟仿真实验

/

（1）由

/

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???

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计算得??=

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2????

，??=

??

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代入数据得电流值为0.5mA

经过输入数据，阴栅距为0.1mm，栅压700V时，得到阴极电流为0.83mA，大于最小电流，满足要求。

（2）接着计算组件功耗

/

其中

/

计算得 /

计算功率小于给定功耗，满足要求

输入数据，实验成功

七、实验结果

计算得实验最小电流为0.5mA，组件功耗为1.3W，均满足要求，实验成功。

/

卫星电推进中和器应用设计虚拟仿真实验成功

八、结论及讨论

1、对不同参数下（栅极孔径角、阴栅距、栅压）的阴极发射电流进行讨论，分析各参数的作用。

栅极孔径角：影响极间电场分布。

阴栅距：电子加速所用距离。

栅压：控制发射电流的大小。

2、分析实验失败原因并提出改进措施。

阴栅距和栅压过大导致电流过大，虽然满足最小电流要求但组件功耗会超过要求功耗。

改进：适当调小阴栅距和栅压。

3、另行选择一种电子发射的应用领域，如行波管、X光管、加速器等，分析固体表面电子发射上述领域中的应用设计要求。

电子加速器：电子加速器又叫电子束(EB)辐照装置。是以电子束辐照装置为代表的粒子加速技术及其应用的事业。 通过对利用电子束辐照装置（技术）改进高分子材料、半导体材料、无机材料和金属材料的性能。

十、心得体会

通过这次实验，我掌握了光电发射、热电子发射、场致电子发射和次级电子发射的基本原理与数学分析，了解了卫星推进系统的原理，亲身体验了卫星推进系统中参数的调试和计算。进一步掌握了能带论及载流子运输特性，了解电子发射应用领域，掌握电推进系统结构及工作原理。

本次实验中，我们遇到了一些困难，在有限的时间内，对于一些问题并未及时了解原因并解决问题。但是最后在助教的帮助下，我们都能够完成本次实验的任务。在这个过程中，更进一步地加深了我们对电子发射基本原理的理解，加强了我们自主学习的能力，使我们获益非浅，为将来的学习打下了一个更好的基础。

另外，在本次实验过程中，我们也积累了一些经验。必须要认真对待每一个小细节，这样才能够减少出现的错误。同时，要加强对物理过程基本原理的理解，这样才能明白物理过程是如何进行的，具体的物理参数是什么含义。

十一、对本实验过程及方法、手段的改进建议：

1.加深对实验原理的描述，以便学生理解仿真实验代表的物理过程。

2.深化仿真网站的升级，对于具体的参数标注其含义。

3.丰富实验过程，帮助学生理解每个过程。

报告评分：

指导教师签字：

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