光致真空热电子发射增强机理与试验研究

Being the electron sources of the microwave vacuum electronics devices, cathodes are facing much bigger challenges of high current density, long life, etc. Among all the cathodes used in vacuum tubes, thermionic cathodes have better performance and reliability than others and are widely used nowadays. And operating temperature is one of the most important influential factors for performance and life of thermionic cathodes. In this project, photon assisted thermionic emission will be used for enhancing the emission of thermionic cathodes, or lowering the operation temperature of the cathodes for the same current density. So that life of the cathodes can be lengthened as well. The project will concentrate on theoretical and experimental study of photon-enhanced thermionic emission mechanisms for novel thermionic cathodes with graphene films on it. To verify and to improve the theoretical hybrid thermionic and photoelectric emission analysis models, new photon-enhanced thermionic emission diodes will be designed and fabricated with their electron emission ability tested, analyzed and compared with theoretical analysis results. Furthermore, a simulation software module will be developed for simulation of electron guns with hybrid thermionic-photoelectric emission cathodes. These studies can not only contribute to further improvement of cathode performance, but also can provide suggestions and tools for novel optical-modulated and photon-enhanced thermionic emission vacuum electronic devices.

阴极作为微波真空电子器件的电子源，大电流密度、长寿命是其发展方向。热阴极是目前在电子管中应用最广泛、发射性能和稳定性最好的阴极类型，工作温度是影响其性能和寿命的最主要因素之一。本项目拟通过光致热发射增强的方式进一步提高热阴极的发射电流密度，或者降低其工作温度、以延长阴极寿命，并探究适合综合热-光电子发射的新型阴极结构。项目研究内容包括对新型覆石墨烯膜阴极的热-光电子发射机理进行研究，研究其阴极发射电流密度与热-光工作条件、结构材料参数等之间的关系，建立热-光电子发射模型；并研制基于覆石墨烯膜阴极加载激光照射的新型热-光混合发射式真空二极管试验管，开展其热-光电子发射性能测试、分析 、和与理论的对比验证；在此基础上，开发带热-光混合电子发射阴极的电子枪的仿真软件。 这些研究不仅可以促进阴极性能的进一步提高，还可为光电调制型、光热混合发射型等新型真空电子器件的设计、分析提供依据和工具。

阴极作为电真空器件的电子源，对器件的总体性能起着决定性作用。为进一步提升热阴极的发射电流密度或启动速度，或提高光电阴极的量子效率，研究人员开展了对传统热阴极或光阴极的热-光综合电子发射技术研究。针对热-光发射，尽管经典Fowler-DuBridge（FdB）方程已可用于估计热-光发射电流密度，但相关实验表明，在工作温度附近的温度区域实测电流密度/量子效率显著高于FdB方程的估计结果；同时，现有热-光发射阴极的光电发射量子效率有限。相关机理研究仍有待深入。.本项目中对热-光发射机理、试验、模型和程序进行了研究，通过理论和试验的对比对理论模型进行了验证，并在仿真和理论分析的基础上提出了两种具有优良性能的新型阴极材料结构方案。本项目中主要工作与创新点包括：.1）基于对阴极热-光电子产生-扩散-发射过程的分析、和费米能级以下等概率吸收的假设提出了含光致热发射增强系数的热-光发射模型，还通过考虑光热效应建立了基于修正的FdB公式的热-光发射模型，实验结果验证了新模型相比经典FdB模型可更好地解释阴极在高温区光-电发射量子效率增加的现象。.2）提出并制备了一种覆石墨烯钡钨阴极，实测结果表明其具有最低1.16eV，保守估计1.16-1.56eV的表面功函数，但其表面均匀性还需完善，工作稳定性还需进一步考证。这一低功函数表明该型阴极有望用于大电流密度和/或较低工作温度场合。.3）提出了一种覆石墨烯钨基热阴极，仿真估计其功函数为1.749eV，预期具有较好的发射能力、制备工艺更为简单。.4）搭建了热-光电子发射性能测试平台，对影响热-光发射和光致发射增强效率的因素进行了检测和分析，初步验证了提出模型用于不同热-光工作条件下的阴极发射性能估计的适用性和模型正确性。.5）设计了具有良好仿真性能的、可仿真热-光电子发射、电子-离子-阴极互作用及阴极表面态变化的电子枪稳态和动态仿真分析软件。其不仅可以用于热-光阴极或常规热阴极或光阴极电子枪的仿真和设计，还可用于阴极表面态的退化仿真。