[发明专利]一种空间电荷限制电流计算方法、装置及存储介质

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明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。

本发明所采用的技术方案是：

一种空间电荷限制电流计算方法，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。

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：

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。

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：

x＝r*cosθ，y＝r*sinθ，z＝z，