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含钪扩散阴极以其低温大发射特性，被认为是“下一代热阴极的主要代表”，在大功率高频率真空电子器件领域具有十分广泛的应用前景。但是该种阴极的发射特性尚缺乏系统研究，阴极的发射机理也未明确，另外基于该阴极的新型大电流密度异形电子束源制备中存在着诸多难点。因此论文借助先进的材料分析测试手段：扫描电子显微镜、高温原位俄歇、高分辨扫描俄歇、X射线衍射仪、阴极发射及发射均匀性测试装置、阴极动态蒸发测试系统和飞行时间质谱装置等对氧化钪掺杂扩散阴极(Scandia Doped Dispenser cathode，简称SDD阴极)的微观形貌、表面结构、工作期间的化学过程、发射能力和发射均匀性、高温大电流寿命特性等进行详细研究。在实验基础上提出了含钪扩散阴极发射机理。为开发太赫兹真空电子器件用辐射源，论文首次研制了基于含钪扩散阴极的大电流密度带状电子束，并对其进行了寿命研究。
论文工作以浸渍型含钪扩散阴极(Scandia Doped Impregnated cathode，简称SDI阴极)为主要对象，系统的研究了其发射特性。采用伏安特性曲线、Miram曲线及实际逸出功分布(PWFD)曲线分别对含钪扩散阴极在平面二极管和Pierce电子枪管中的发射性能进行研究。结果显示，阴极在950℃b以上，可提供100A/cm2以上的完全空间电荷电流密度。因而，高电流密度工作时，含钪扩散阴极适宜的工作温度为950-1000℃b，含钪扩散阴极的伏安特性曲线和Miram曲线呈现出阴极具有异常发射行为。分别运用单原子层和不同的半导体模型对Miram曲线族进行理论计算。获得了与SDI阴极实测曲线最接近的发射模型。论文还借助Maxcell2D软件对该阴极特有的表面纳米小粒子对周围局部场增强效应进行了分析。
首次对SDI阴极的发射均匀性进行了研究，结果显示SDI阴极无论整体还是微区随着温度的提升，发射均匀性改善；阴极微区的均匀性要优于整体；阴极面上面积相同的不同微区的发射不均匀性是不同的。高温加速寿命试验后，发射均匀性变差。同一温度下，阴极发射特性在完全空间电荷区和“异常肖特基效应”区的发射均匀性没有明显差异。该测试结果证实SDI阴极的“异常肖特基效应”并非由目前公认的阴极发射的不均匀引起。
论文借助AES分析，确认激活良好的含钪扩散阴极表面的Ba-Sc-O的活性多层是含钪阴极所特有的现象。结合以上发射模型分析，认为上述Ba-Sc-O层可能具有半导体性质，在电场渗透作用下引起表面逸出功下降，是造成含钪扩散阴极发射特性异常的原因；而表面大量的纳米颗粒造成局部电场集中增强了这种作用。根据上述特征，首次提出含钪扩散阴极的表面发射可能为半导体-纳米微粒子共同作用机制。
论文采用石英晶体振荡法和飞行时间质谱法对含钪扩散阴极工作和寿命前后的蒸发特性进行研究。在同样的工作温度下，含钪扩散阴极的蒸发量比覆W/Re/Os三元合金膜的M型阴极和浸渍钡钨阴极低一个数量级。阴极工作时蒸发物的主要成份为ScO+(31)和Ba++(69)和Ba+(138)及少量的BaO。
为研究阴极的活性物质来源，设计了阴极组成的模拟实验，通过SEM和X射线衍射分析及发射测量得到含钪扩散阴极工作时的主要活性相：Ba3Sc4O9，Ba3Al2O6，Ba3CaAl2O7及Sc2W3O12等。研究显示，增加活性相的含量并不能促进阴极的电子发射，只有当阴极工作过程中通过化学反应生成活性Ba、BaO和Sc的比例达到某一最佳范围，阴极才会体现最佳发射状态。论文根据模拟实验结果提出阴极中活性Sc的一种可能来源：
Ba3Sc4O9+W=Ba3Sc2WO9+2Sc
为开发太赫兹真空电子器件用辐射源，采用精密微加工结合电子束电流分布/电子束轨迹模拟，首次进行基于含钪扩散阴极直接产生高电流密度带状电子束获得的研究。结果表明，采用薄膜覆盖层-离子刻蚀法和实体覆盖层-精密微加工法两种方法均可制备出符合要求的阴极组件。采用计算机模拟方法对电子束成型结构的各有关参数，包括厚度、开口处边缘倾角等进行了模拟分析，获得合理的阴极组件结构参数。对于600μm×100μm带状电子束源，在950℃b时发射电流密度大于50A/cm2工作情况下，500小时寿命后电子束截面形状保持规则，发射电流密度稳定。该实验结果已初步达到0.5THz双向流史密斯-珀塞尔辐射源(Counter-Streaming Electron Beam Smith-Purcell)对电子束源阴极的要求。