一种空间电荷限制电流计算方法、装置及存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种空间电荷限制电流计算方法、装置及存储介质，其中方法包括：S1、确定阴极金属板和阳极介质板两板之间的结构模型；S2、将两个电流密度值分别作为泊松轨迹过程的输入，计算单位时间注入的电荷量，以及在计算电子轨迹过程中计算电荷量并沉积到网格上；S3、获得电势分布，根据电场定义通过外推过程进行多项式拟合求解各点的电场；S4、使用割线法得到更新的电流密度，根据电流密度获取下一次泊松轨迹过程的输入电流密度；S5、输出最终的电流密度分布。本发明专利技术给出了非平行平板结构的空间电荷限制电流计算方案，在计算电子轨迹过程中迭代求解电子运动轨迹，探究了空间电荷影响下粒子的运动规律，可广泛应用于电子器件领域。领域。领域。

【技术实现步骤摘要】
一种空间电荷限制电流计算方法、装置及存储介质


[0001]本专利技术涉及真空电子器件领域，尤其涉及一种空间电荷限制电流计算方法、装置及存储介质。

技术介绍

[0002]空间电荷限制电流是真空电子器件中的一种基本物理现象。在受热或外加电场的作用下阴极表面的电子会获得能量，当获得的能量大于阴极表面的功函数时便会有电子越过势垒逸出，电子在空间电场力的作用下，从阴极运动到阳极，形成了空间电流。随着电子不断发射从阴极板进入真空区域，空间电流逐渐增大，空间电流产生的电场会对两极板电势差产生的电场起到平衡作用。在这个过程中阴极表面的电场将逐渐趋于零，当阴极表面电场等于零时，电子无法获得足够的能量越过势垒，阴极表面不再有电子逸出，从而空间电荷限制了电流的输出，电流最终达到稳定，不能再继续增加，此时的电流被称为空间电荷限制电流。
[0003]在热离子能量转换器中空间电荷限制电流现象较为明显，因为该器件是一种将热能直接转换成电能的真空二极管器件，相关应用普遍通过外加离子的方式来减小空间电荷效应的影响。对于一维的情况，空间电荷限制电流的大小可以通过解析方法求解得到，但是对于非一维的情况，求解多维非线性泊松方程较为困难。现有的计算空间电荷限制电流的数值方法，存有以下不足，第一：只考虑了平行平板结构的情况，对于非平行平板结构的情况并没有给出计算方法；第二：无法探究空间电荷影响下粒子的运动规律。

技术实现思路

[0004]为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本专利技术的目的在于提供一种应用于非平行平板结构的空间电荷限制电流计算方法、装置及存储介质。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]一种空间电荷限制电流计算方法，包括以下步骤：
[0007]S1、确定阴极金属板和阳极介质板两板之间的结构模型，以及确定两个初始的电流密度值J1和J2；
[0008]S2、将两个电流密度值J1和J2分别作为泊松轨迹过程的输入，计算单位时间注入的电荷量，以及在计算电子轨迹过程中计算电荷量并沉积到网格上，进行迭代直到电荷分布收敛；
[0009]S3、在泊松轨迹过程收敛后，获得电势分布V，根据电场定义通过外推过程进行多项式拟合求解各点的电场E；
[0010]S4、在泊松轨迹过程收敛结束后，使用割线法得到更新的电流密度J
*
，根据电流密度J
*
获取下一次泊松轨迹过程的输入电流密度，重复步骤S2
‑
S3，直到电流密度收敛；
[0011]S5、输出最终的电流密度分布J。
[0012]进一步地，所述确定阴极金属板和阳极介质板之间的结构模型，包括：
[0013]确定平板长度L和发射区域宽度W，将非平行的阴极金属板和阳极介质板反向延长并相交与点O，以点O为原点，阳极介质板表面所在直线为x轴，建立二维笛卡尔坐标系，两板之间夹角记为θ，阴极金属板发射区域中点到坐标原点的距离记为R，阴极金属板和阳极介质板之间电势差为V
g
。
[0014]进一步地，非平行平板结构下电场线与等电位线垂直，该非平行平板结构模型的柱坐标表示为：
[0015]x＝r*cosθ，y＝r*sinθ，z＝z，
[0016]其中，r为计算点到坐标原点的距离，θ为阴极金属板和阳极介质板之间的夹角大小，z为轴向坐标，柱坐标是三维的，z＝z是直角坐标转化为柱坐标的参数方程；x、y为计算点的横截面坐标，柱坐标和笛卡尔坐标z相同，只是横截面坐标换成了极坐标形式；
[0017]转化得到以下方程关系：
[0018][0019]在预设的有效发射区域以外电荷密度为零：
[0020][0021]式中，θ
c
表示阴极板对应的极角值，J(r，θ
c
)表示坐标(r，θ
c
)处的电流密度值，R表示阴极金属板发射区域中点到坐标原点的距离，W表示发射区域宽度。
[0022]进一步地，阴极金属板和阳极介质板之间为真空，步骤S2，具体包括：
[0023]在泊松轨迹过程中，第一次迭代使用有限差分法求解拉普拉斯方程获得真空电势分布，根据真空电势分布获得真空电场，根据真空电场，通过求解牛顿运动方程计算不考虑空间电荷效应影响下的电子轨迹；
[0024]在计算电子轨迹过程中，采用质点网格法，通过粒子运动轨迹和位置加权计算电荷量并沉积到网格上得到初始电荷密度分布ρ
old
，使用该初始电荷密度在第二次迭代中用有限差分法求解泊松方程，以获得一个更新的势场，这个更新的势场将给出一个更新的电场，采用更新的电场求解牛顿运动方程，获得更新的轨迹和更新的电荷密度分布ρ
*
；
[0025]在后面的迭代中，根据电荷密度分布ρ
*
获取更新的电荷密度分布ρ
new
，重复泊松轨迹过程和计算电子轨迹过程，直到电荷密度分布ρ收敛。
[0026]进一步地，电荷密度分布ρ与两板之间电势差V
g
有关，电荷密度与电荷的关系为：
[0027][0028]其中，dV为单位体积元，dQ为单位体积元中的电荷量，记流过dS单位面积元中的电流为I，则I与电流密度J的关系为：
[0029]I＝J*dS
[0030]因为dQ与电流的关系为：
[0031]dQ＝I*dt
[0032]在柱坐标中，单位面积元dS和单位体积元dV在柱坐标下的方程如下所示：
[0033]dS＝dr*dz，dV＝r*dθ*dr*dz，
[0034]联立以上方程可得：
[0035][0036]进一步地，所述泊松轨迹过程和计算电子轨迹过程，具体如下：
[0037]使用柱坐标形式表示泊松方程，给出如下形式：
[0038][0039]式中，ε0为真空介电常数；
[0040]假设在z方向上电子均匀发射，可得：
[0041][0042]泊松方程化简为：
[0043][0044]设介质阳极的表面边界所对应的极角为0，金属阴极的表面边界所对应的极角为θ
c
，求解泊松方程的边界条件如下：
[0045]V(r,θ)＝0 forθ＝θ
c
,
[0046]V(r,θ)＝V
g forθ＝0,
[0047][0048]为了便于使用有限差分法进行数值计算，将泊松方程化为离散的差分方程形式，方程形式如下：
[0049][0050]对方程进行计算化简得到更新V(i，j)的表达式，对于泊松轨迹过程第一次迭代使用有限差法分法求解拉普拉斯方程：
[0051][0052]获得真空电势分布，由求得的真空电势分布根据电场定义求解各点的电场，这些真空电场通过求解牛顿运动方程用于计算电子轨迹，假设沿x方向和y方向的电场分别为E
x
和E
y
，则牛顿运动方程形式如下：
[0053][005本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间电荷限制电流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定阴极金属板和阳极介质板两板之间的结构模型，以及确定两个初始的电流密度值J1和J2；S2、将两个电流密度值J1和J2分别作为泊松轨迹过程的输入，计算单位时间注入的电荷量，以及在计算电子轨迹过程中计算电荷量并沉积到网格上，进行迭代直到电荷分布收敛；S3、在泊松轨迹过程收敛后，获得电势分布V，根据电场定义通过外推过程进行多项式拟合求解各点的电场E；S4、在泊松轨迹过程收敛结束后，使用割线法得到更新的电流密度J
*
，根据电流密度J
*
获取下一次泊松轨迹过程的输入电流密度，重复步骤S2
‑
S3，直到电流密度收敛；S5、输出最终的电流密度分布J。2.根据权利要求1所述的一种空间电荷限制电流计算方法，其特征在于，所述确定阴极金属板和阳极介质板之间的结构模型，包括：确定平板长度L和发射区域宽度W，将非平行的阴极金属板和阳极介质板反向延长并相交与点O，以点O为原点，阳极介质板表面所在直线为x轴，建立二维笛卡尔坐标系，两板之间夹角记为θ，阴极金属板发射区域中点到坐标原点的距离记为R，阴极金属板和阳极介质板之间电势差为V
g
。3.根据权利要求2所述的一种空间电荷限制电流计算方法，其特征在于，非平行平板结构下电场线与等电位线垂直，该非平行平板结构模型的柱坐标表示为：x＝r*cosθ，y＝r*sinθ，z＝z，其中，r为计算点到坐标原点的距离，θ为阴极金属板和阳极介质板之间的夹角大小，z为轴向坐标，x、y为计算点的横截面坐标；转化得到以下方程关系：在预设的有效发射区域以外电荷密度为零：式中，θ
c
表示阴极板对应的极角值，J(r，θ
c
)表示坐标(r，θ
c
)处的电流密度值，R表示阴极金属板发射区域中点到坐标原点的距离，W表示发射区域宽度。4.根据权利要求1所述的一种空间电荷限制电流计算方法，其特征在于，阴极金属板和阳极介质板之间为真空，步骤S2，具体包括：在泊松轨迹过程中，第一次迭代使用有限差分法求解拉普拉斯方程获得真空电势分布，根据真空电势分布获得真空电场，根据真空电场，通过求解牛顿运动方程计算不考虑空间电荷效应影响下的电子轨迹；在计算电子轨迹过程中，采用质点网格法，通过粒子运动轨迹和位置加权计算电荷量并沉积到网格上得到初始电荷密度分布ρ
old
，使用该初始电荷密度在第二次迭代中用有限差分法求解泊松方程，以获得一个更新的势场，这个更新的势场将给出一个更新的电场，采用更新的电场求解牛顿运动方程，获得更新的轨迹和更新的电荷密度分布ρ
*
；
在后面的迭代中，根据电荷密度分布ρ
*
获取更新的电荷密度分布ρ
new
，重复泊松轨迹过程和计算电子轨迹过程，直到电荷密度分布ρ收敛。5.根据权利要求4所述的一种空间电荷限制电流计算方法，其特征在于，电荷密度分布ρ与两板之间电势差V
g
有关，电荷密度与电荷的关系为：其中，dV为单位体积元，dQ为单位体积元中的电荷量，记流过dS单位面积元中的电流为I，则I与电流密度J的关系为：I＝J*dS因为dQ与电流的关系为：dQ＝I*dt在柱坐标中，单位面积元dS和单位体积元dV在柱坐标下的方程如下所示：dS＝dr*dz，dV＝r*dθ*dr*dz，联立以上方程可得：6.根据权利要求4所述的一种空间电荷限制电流计算方法，其特征在于，所述泊松轨迹过程和计算电子轨迹过程，具体如下：使用柱坐标形式表示泊松方程，给出如下形式：式中，ε...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱映彬，方泽江，庄宗南，姚若河，刘玉荣，耿魁伟，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：