场致发射中和器的设计与制备

摘要

随着各国在太空探索领域的不断深入，对航天器的性能要求逐渐提高，电推进器开始逐步成为各国研究的热点。作为电推进器中非常重要的一部分，中和器的性能提升对于航空航天推进领域有着至关重要的作用。由此对中和器的寿命、能源消耗、环境适应性以及发射电流有更高的要求，碳纳米管场致发射电子源中和器以其出色的综合性能，成为如今研究的主流。
　　基于碳纳米管场致发射阴极中和器最大的特点就是结构简单，体积小，功耗低，并且不需要配备工作介质存储设备或阀门等相关设施，非常适用于小型或微型电推进系统中。但随着研究的深入，碳纳米管场致发射阵列也存在一些难以解决的问题，例如其发射电流密度较低，发射稳定性不够好等问题一直没有很好的改进方法。
　　本文将对以碳纳米管场致发射阵列为电子源的中和器进行研究，探索碳纳米管稳定生长的工艺。通过微波等离子体化学气相场沉积法（MW-PECVD）制备出形貌良好，发射电流高的碳纳米管场致发射阵列。使用电子束仿真模拟软件优化中和器结构，设计出符合要求的中和器。最后对制备的碳纳米管场致发射阵列进行电子发射性能测试。本文的主要实验内容如下：
　　1.碳纳米管制备工艺。通过光刻、沉积催化剂、MW-PECVD法等一系列碳纳米管阵列制备的工艺流程，制备形貌良好，与基底垂直，场致发射电流密度达到4.5 A/cm2的碳纳米管场致发射阵列作为中和器的电子源。在实验过程中对各种问题进行总结，探索出最佳的工艺参数。
　　2.中和器电子光学系统的设计与优化。为了使发射出的电子能有效发射到太空中中和电推进器喷射出的离子，设计和优化相应的电子光学系统，使电子能最大化中和带电离子。同时设计的电子光学结构能够有效隔离来自离子推进器释放出的大量离子，防止离子轰击场致发射阴极阵列。
　　3.中和器场致发射性能研究。将制备的碳纳米管场致发射阵列组装成中和器结构，在高真空系统中进行场发射性能测试。研究其场致发射性能，总结碳纳米管场致发射阵列以及中和器结构对发射性能的影响。最终制备的中和器的发射电流为473 mA。栅网透过率为60％左右。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 背景及研究意义

1.2 中和器的发展及应用

1.3 碳纳米管场发射阴极的发展及存在的问题

1.4 本论文的内容及安排

第二章 碳纳米管场致发射简介

2.1 碳纳米管简介

2.2 碳纳米管的性质

2.3 几种常用的碳纳米管制备方法

2.4 基于碳纳米管的场致发射阵列

2.5 场致发射理论

2.6 本章小结

3.1 碳纳米管场致发射阵列的制备工艺

3.2 二极管结构碳纳米管场致发射阵列性能测试

3.3 本章小结

第四章 中和器结构的设计与仿真

4.1 中和器的设计模拟

4.2 圆形阴极中和器结构仿真

4.3 最佳中和器结构参数

4.4 本章小结

第五章 中和器场发射测试结果与讨论

5.1 单发射体结构制备与测试

5.2 中和器结构装配与测试

5.3 本章小结

第六章 总结和展望

致谢

参考文献