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《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》

实验指导书

一. 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）。

二. 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。

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发射的影响，获得四种外界条件与电子发射性能之间的关系。

2）模块二：学生根据任务，结合理论与工程要求，设计出卫星电推进中和器物理模型，仿真栅极孔径角、阴栅距、栅压对阴极发射电流、阳极接收电流和组件功耗的影响，获得满足指标要求的中和器结构；并根据系统给出的中和器电场分布、电子轨迹、电子束斑仿真结果，分析各结构参数对中和器电子发射性能的影响。

三、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 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。 子分布。

16）改变原电子能量进行仿真实验，观察原电子和次级电子的运动行为及电子分布的改变；

17）通过仿真结果，结合系统提供的原理和公式，总结次级电子数目随原电子能量的变化规律。

18）点击“下一步”，进入“电子发射应用领域”延伸学习环节。系统提供了电子发射在电真空微波器件、卫星电推进系统、医疗器件、绿色光源、显示器件、电子束分析设备等领域的应用情况。

2、模块二：卫星电推进中和器应用设计虚拟仿真实验

模块二的实验流程如图5所示。

图5 模块二的实验流程

模块二的具体实验步骤如下：

1）针对后续卫星电推进中和器应用设计虚拟仿真实验，学生需要预先学习电子光学理论基础。

2）进入卫星电推进中和器应用设计虚拟仿真系统，系统为模块二提供了7个卫星电推进中和器应用虚拟仿真实验，学生可自主选择。

3）点击选中实验，获得实验任务和指标要求，根据指标要求中的推力值计算中和器所需电流。

4）系统提供了卫星电推进系统及中和器虚拟仿真基本结构，学生熟悉整个界面功能。

5）通过全屏模式，深入学习电推进系统结构及各部分功能。

6）在全屏模式下学习中和器的基本结构，分析中和器各结构参数所起的具体作用，为后续结构设计奠定基础。

7）进入仿真阶段，系统将随机给出栅极倾斜角度，学生根据任务，结合理论与工程要求，设计并选择阴-栅距参数。

8）学生设计并选择栅压参数。

9）系统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。

四. 实验报告及要求

1、简述实验原理、实验目的和实验内容。

2、根据各个实验模块分别叙述其实验步骤，记录实验现象，并对结果进行必要的分析和总结。

3、严格按电子科技大学《实验报告》的相关要求，撰写实验报告，并按时提交纸质版实验报告。实验报告中还需要回答和完成以下的思考题。

五. 思考题

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。

2、分析实验失败原因并提出改进措施。

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。

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