分析了激励脉冲电压作用下铁电阴极电容的变化，即等离子体沿着铁电阴极前电极表面扩散而引起电容变化；建立了激励脉冲电压作用下铁电阴极等效电容模型并推导铁电阴极前电极表面等离子横向扩散速度表达式。采用传统固相烧结工艺制备的掺镧锆锡钛酸铅反铁电陶瓷作为阴极材料，通过测量激励脉冲电压作用下铁电阴极两端的电压及充放电电流，计算得到掺镧锆锡钛酸铅陶瓷表面等离子体横向扩散速度为1.89×106 cm/s。

采用锆钛酸铅(PZT)铁电阴极,在高真空4×10-3 Pa和低真空1.4 Pa条件下分别进行了电子发射实验。对收集电流波形进行积分,计算出收集电荷,低真空与高真空的电荷比值为0.193 3,说明低真空条件下发射出的电子损失较大。运用分子运动理论和等离子体放电理论对发射电子损失的原因进行了分析。通过分子运动理论计算了分子碰撞对到达收集极的电子数目的影响,得到的低真空与高真空的电子到达几率分别为89.58%和99.97%,二者的比值为0.896 1。该数值与通过实验收集电流波形计算出的到达电子比值相差很大。考虑低真空下等离子体的作用,发射电子除了与气体分子碰撞有部分损失外,还有通过等离子体和栅电极形成的对地放电损失。由等离子体放电理论计算出等离子体覆盖栅电极时间为23.8 ns,与低真空的收集电流振荡周期20 ns非常接近,是低真空下等离子体放电损失的有力证明。

讨论了不同发射机理对铁电阴极材料性能的要求,对PZT(锆钛酸铅)系铁电陶瓷工艺过程中的关键步骤进行了研究.通过掺杂改性和改进预烧条件等手段,有效地改善了材料的性能参数,制备出相对介电常数大于3 000的弛豫相铁电陶瓷和压电常数大于500×10^-12C/N的铁电相铁电陶瓷.在初步的发射实验中,使用改进工艺后的PLZT8/65/35制备的铁电阴极,触发脉冲5.4 kV时,获得的发射电子电流密度达到800 A/cm²,远大于C-L定律计算的发射电流.

研究了铁电材料的电子发射特性,根据实验和数值模拟结果给出了铁电发射特性的定性解释,并指出目前的几种铁电发射理论都不足以完备地解释各种实验现象.设计了Pierce型铁电阴极电子枪,实现了束流的二级压缩,其总束流大于100 A.在此基础上,分析和设计了具有盘荷波导慢波结构的相对论行波管,得到了带宽500 MHz,增益约25 dB的X波段行波放大输出.

作为一种新型功能材料,铁电阴极材料的研究日益受人们重视.对铁电材料进行电子发射试验时,偶然观测到材料压电系数随着电子发射次数的增多,其数值大小渐次先由高降低至零,然后又开始反向增大并逐渐稳定于某一绝对值,该绝对值略小于预极化初始值,而在这变化过程中,材料的电子发射电流密度基本恒定.对此进行重复验证以及系统考察发现,压电系数的这种变化规律,为铁电材料电子发射时所普遍遵循,这为铁电电子发射的机理研究探索又提供了一种新的实验现象.

铁电阴极材料,作为一种新型的功能材料,以其高的发射电流密度等优点而受到重视.鉴于目前研究的铁电阴极材料多局限于锆钛酸铅等含铅材料,作者采用无铅铁电陶瓷Na_1/2Bi_1/2TiO₃-BaTiO₃(BNBT),进行了电子发射实验,获得发射电流密度达20A/cm².初步实验结果表明,与锆钛酸铅相比,钛酸铋钠发射电流密度略低但性能稳定性较好.作为无铅铁电阴极,BNBT仍然具有良好的研究开发价值.