目前，国产大功率端窗X射线管存在束流和功率小于设计值的问题。从热电子发射理论和空间电荷受限发射理论出发，对大功率端窗X射线管的束流进行优化研究。在理论仿真中，计算两种理论模型下的电子束轨迹、束流大小和靶面焦斑。计算分析表明，现有问题主要是灯丝附近的电势分布不合理造成的。基于这一分析，对现有结构提出两种优化方案：一种不改变现有结构仅通过改变灯丝电势来克服灯丝附近的空间电荷效应；另一种通过改变灯丝位置来使灯丝附近的加速电压分布更加合理。基于这两种优化方案，再次进行仿真计算，计算结果显示，两种方案可以有效提高现有大功率X射线管的束流。最后设计了验证性实验，测得了该结构在额定最大灯丝电流下的温度限制束流大小，并验证了仿真计算的准确性，同时也验证了提出的两种优化方案的可行性。

氧化镓（Ga₂O₃）因其合适的禁带宽度（4.5~5.3 eV）在深紫外探测方面具有天然的优势。本文利用常温磁控溅射技术在非晶Ga₂O₃薄膜表面溅射银纳米颗粒，制备出简易的深紫外光电探测器。结果表明，在5 V偏压下，探测器的暗电流低至94 fA，光暗电流比高达5.9×10⁵，254 nm/365 nm波长抑制比达到1.6×10⁴，探测率为2×10¹⁴ Jones（探测率单位），且该探测器在不同电压和不同光强下都能快速且稳定地响应。该探测器优异的深紫外光探测表现与引入的金属银纳米颗粒密切相关。一方面，银纳米颗粒与Ga₂O₃薄膜间的肖特基势垒的形成有助于减小非晶Ga₂O₃的暗电流；另一方面，银纳米颗粒的表面等离子振动有助于增强Ga₂O₃对紫外光的吸收，且紫外光照下银纳米颗粒会产生大量的热载流子使得热电子有足够的能量克服银纳米颗粒与Ga₂O₃薄膜间的肖特基势垒，使得探测器的光电流增加。本文工作为实现具有低暗电流和高光暗电流比的深紫外光电探测器提供了一种可行的方法。

利用铁电薄膜的极化效应和金属微纳结构的表面等离激元非辐射衰减诱导的热电子，提高传统铁电薄膜材料的光电转换效率，在光伏、光催化和光电探测等领域中有广阔的应用前景。采用溶胶-凝胶法制备了大面积均匀的BiFeO₃薄膜，并采用电子束热蒸发技术分别在其上下表面沉积Au纳米颗粒，形成了Au/BiFeO₃复合薄膜结构。研究结果表明，相较纯BiFeO₃薄膜，负载了Au纳米颗粒的复合薄膜在可见光区的吸收明显增强，进而其光电流密度也有所增加。此外，利用铁电薄膜的极化效应对其界面势垒进行调控，从而控制Au纳米颗粒中热电子和BiFeO₃薄膜中光生载流子的转移，在两者的协同作用下，实现了对复合薄膜光电流极性的操控。

高功率激光与等离子体相互作用(LPI)产生的超热电子能谱与空间分布是激光惯性约束聚变(ICF)中评估预热增熵、优化靶参数设计的关键依据,因此是研究上的重要内容。基于神光Ⅱ激光装置,研究了不同条件的激光与碳氢平面靶作用产生超热电子的能谱与空间分布。实验结果表明,超热电子能谱符合麦克斯韦分布,拟合温度处于30~65 keV范围,靶前方向得到的超热电子温度和强度均高于靶后方向。在靶后方向探测到的超热电子空间分布近似高斯分布,峰值方向在靶背法线方向。靶前散射光谱上有较强的对流受激拉曼散射(SRS)信号及具有双峰分布特点的双等离子体衰变(TPD)信号。理论结合实验数据分析表明,在高温大尺度等离子体条件下,SRS产生的超热电子相比TPD占据主导地位。此外,分析了由SRS产生的电子等离子体(EPW)波加速的电子动能与散射光波长的关系,发现加速后电子的动能随着散射光波长的增加而增加,与实验结果相符。

为了提升超热电子的准直输运效率,提出了锥口多层靶模型,并通过二维PIC(particle-in-cell)模拟手段研究了强激光与锥口多层靶相互作用过程中超热电子的产生和输运特性。研究结果表明,相比于无锥结构的多层靶,锥口多层靶中输运的超热电子数目更多、能量更高且空间分布也更加集中,发散角被控制在-38°~38°之间的超热电子能量约增加了0.6倍,锥口多层靶能够提升超热电子的准直输运效率。锥口多层靶中超热电子准直输运效率提升的原因主要有三个方面:激光从锥壁上拉出了大量超热电子、锥壁对激光的聚焦作用增强了激光有质动力以及锥顶后方产生了较强的自生磁场分布。本文建立的模型对于提升“快点火”中超热电子的束品质具有重要意义。

金属中电子受光激发产生热电子的内光电发射过程可以突破半导体禁带的限制，在光电探测、光伏、光催化等应用中具有重要作用。然而金属纳米结构形貌、尺寸以及肖特基势垒对热电子注入效率的影响尚不清楚。基于蒙特卡罗模拟研究了单结、平面双结结构以及单结、双结核壳纳米线结构中的载流子传输行为，分析了金属纳米结构形貌、尺寸以及肖特基势垒对热电子注入效率的影响。结果表明，在金属薄膜较厚的平面热电子系统中，双肖特基势垒结构可以减小热电子热化损失，显著提高热电子注入效率；当金属比较薄时，热电子的热化损失较小，双结与单结系统的热电子注入效率相差不大。在单结纳米线核壳结构中，电子-声子散射显著地提高了热电子注入效率，并随着金属厚度（纳米线半径）增加而下降（提高）。在双结纳米线核壳结构中，热电子到达外肖特基结界面的注入角相对内界面较小，因此外肖特基结具有更强的热电子捕获能力。随着金属厚度（纳米线半径）的增加，金属中靠近外（内）肖特基结处产生的热电子数量增加，导致注入效率提高（降低）。本研究为更好地理解不同金属纳米结构中的热电子传输行为和注入效率限制以及高性能器件设计提供指导。