含钪扩散阴极（Scandia-doped Dispenser cathode，简称SDD阴极）以其低温大电流密度发射的优势，被誉为“下一代热阴极的主要代表”，在高功率高频率真空电子器件领域具有十分广泛的应用前景。但含钪阴极发射机理尚没有给出确切解释，非正常肖特基效应为代表的特殊发射性质的原因尚不明确。本论文围绕浸渍型含钪扩散阴极(Scandia Doped Impregnated cathode，简称SDI阴极)的电流发射特性，从实验和理论计算两方面对含钪阴极发射机理进行研究:利用SPS(SparkPlasma Sintering)烧结方法制备了不同含钪化合物的靶材并对阴极进行脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，简称PLD)覆膜;结合俄歇电子能谱(Auger ElectronSpectrometer,简称AES)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,简称XPS)等表面分析，探索了阴极激活过程的表面化学状态以及阴极发射机理;以Maxwell2D、comsol、Materials Studio模拟计算了阴极表面纳米粒子对局部电场的影响以及阴极逸出功和能态密度分布。　　采用溶胶凝胶法制备了氧化钪含量1.5wt％（重量百分比）的掺杂钨粉，经1500℃b（℃b代表亮度温度bright-temperature）的高温烧结制备了表面孔道分布均匀孔径均一的氧化钪掺杂钨海绵体，经1650℃b的高温浸渍获得浸渍量9％的含钪扩散阴极。阴极在850℃b时发射电流密度为19.17A/cm2。　　成功制备了致密度较高、元素分布均匀的W-Sc2O3靶材和W-Re-Sc2O3靶材。亚微米W-Sc2O3粉末的SPS烧结，在1350℃即可致密化，远低于常规W粉烧结温度，靶的相对密度达96.4％、洛氏硬度为86.4HRC。加入Re元素的W-Re-Sc2O3粉体，粉体平均粒度50nm，在1150℃即可致密化。结果还表明，对吸附能力强、易于氧化的亚微米粉末，烧结前对粉末进行还原处理，并在800℃预烧，有助于减少因氧化钨挥发造成的孔隙，同时能在烧结峰形成、样品迅速收缩前，有效排除气体，有助于提高靶材致密性和硬度。　　以W-Sc2O3、W-Ba3Sc4O9、W-Re-Sc2O3为靶材，以钨海绵体、钡钨阴极、含钪阴极为基体，采用PLD镀膜方法，制备了形貌良好、以W颗粒为中心的含钪薄膜。覆W-Ba3Sc4O9膜后的钨海绵体、钡钨阴极发射电流密度提高而含钪阴极发射性能不变，而覆W-Sc2O3膜含钪阴极激活时间延长至8h才能取得最大发射电流密度14.82 A/cm2，表明Ba3Sc4O9是有助阴极发射的活性物质，而Sc2O3直接镀膜无益于发射。覆W-Re-Sc2O3膜含铳阴极打火后发射电流密度急剧下降，经过4h的重新激活，发射至18.17A/cm2，接近打火前的状态。Re具有明显的细化晶粒的作用，有助于提高阴极表层活性物质与基体颗粒的接触面积和表面活化能，重新形成活性层，增强抗离子轰击能力。　　利用Materials Studio软件模拟计算纯金属W、Ba-Sc-O-W的逸出功和电子能态密度，对阴极发射行为进行初步分析。模型引入Sc、Ba元素后，电子能态密度分布向费米能级移动，逸出固体表面所需克服的势垒降低，理查森逸出功从纯W的4.5eV到1.3eV，该结论展示了钪阴极低温大发射、低逸出功在物质微观结构上的理论依据。　　利用同步辐射XPS方法研究了Ba-W阴极、含钪扩散阴极表面元素种类以及化学状态，分析含钪阴极激活过程中阴极表面元素化学位移。激活之前W以金属态和氧化态共同存在，经高温激活和寿命试验后，主成分已恢复为金属态，氧化峰消失。分别采用单原子层模型、Wright半导体模型、Maloney半导体模型结合考虑和不考虑肖特基效应，计算理论温度限制电流，并利用Longo发射方程加入空间电荷电流影响，理论Miram曲线计算结果显示，考虑肖特基效应的Wright半导体模型，与实测结果最接近。　　激活后含钪扩散型阴极表面存在大量纳米小粒子，寿命试验结束后消失。利用Maxwell2D和Comsol模拟阴极表面突起的不同几何形状以及不同密度分布的小粒子，计算对局部电场的影响，基于半导体模型，计算电流密度的改变，对纳米粒子的影响进行定量研究。结果显示，随着几何突起的增加，半球、球形、h/d递增的球顶圆柱纳米粒子二维模型和三维模型，均表现出对局部电场的增强，且与突起程度相关，最大局部场强154KV/cm，为均匀场的3.8倍，但不足以引发场致发射。大量纳米小粒子聚集将削弱局部电场增幅，模拟设置多个纳米粒子，场强增幅收敛到1.5倍，局部电流发射密度提升为1.4倍，对总发射电流密度的提高也有一定贡献。