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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、 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。 ”，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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