碳纳米管阴极电离规结构的模拟优化设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理重点实验室 作者:张虎忠

  为了提升碳纳米管(CNT)阴极电离规的综合性能和实用性,本文利用离子光学模拟软件SIMION3D8.0和CAD建模软件构建了CNT阴极电离规的物理模型,且通过模拟计算得到不同电极结构参数对CNT阴极电离规各种性能的影响规律。研究结果表明,不同的阴极基座直径、门极尺寸产生不同的电子运动轨迹;电子运动路径随着外屏与阳极栅网之间距离的增大先增大后减小;电子逃逸率随着门极和阳极顶部间距的减小而逐渐增大;聚焦孔直径对正离子的收集影响显著,且气相离子/电子激励脱附离子收集比率在收集孔直径约为2mm 时达到最大。故选用合适的电极结构参数能有效地提高CNT阴极电离规的总体性能,延伸其真空测量下限。

  超高/极高真空测量在空间探测、高能物理、热核聚变、表面科学和纳米技术等尖端技术领域都具有广泛的应用需求。而传统的金属单尖型电离规、金属阵列阴极、场发射阵列等已限制了超高/极高真空测量。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为碳纳米管(CNT)阴极电离规以其场发射能耗低、发射电流大等优点有望解决超高/极高真空测量难题,得到了国内外的广泛关注。

  目前国内外研制的CNT阴极电离规多处于实验研究阶段,尚未实现商业推广应用,其中一个尚需拓展的关键因素就是CNT阴极材料和电离规规管结构的匹配结合问题。因此,开展CNT阴极电离规结构的模拟优化设计将有助于这一问题的解决。国内外许多学者对不同类型电离规的电子运动轨迹、灵敏度、电子激励脱附(electrons stimulated desorption,ESD)效应、软X射线效应等进行了模拟和仿真计算,以优化其电极结构和电压条件。董长昆等使用SIMION2D软件模拟了分离规和轨道式电离规的电子运动轨迹,D.Nicolaescu根据V.Filip的理论推导模拟了几种不同规管结构的电子轨迹。但对于冷阴极电离规,无法通过一个已知且精确的数学模型计算其相关参数,Lidija Irmancnik Belic等利用神经网络建模,对冷阴极电离规(CCG)相关参数进行了模拟计算,模型误差最大达到24.95%。本文基于规管中的电场电势分布,利用离子光学软件SIMION3D8.0和CAD建模软件构建CNT阴极电离规的物理模型,并进行网格划分,通过数值模拟分析了电极结构参数对CNT阴极电离规的综合性能的影响。

1、电离规数值模拟

  1.1、电子瞬时运动状态分析

  CNT阴极电离规为轴对称结构,其电极结构主要包括CNT阴极、门极、阳极、外屏、反射极和收集极,其物理模型如图1所示。

CNT阴极电离规的物理模型

图1 CNT阴极电离规的物理模型

  电子在CNT 阴极电离规规管中所经过的任意位置(x,y,z)处的电场分布(Ex,Ey,Ez)、电势分布(U)、速度分布(vx,vy,vz)、电子能量K 等参量表征了电子瞬时运动状态。利用Simion离子光学软件和自编程序可以选择性模拟分析CNT阴极电离规的电子透过率(穿过门极栅网进入阳极电离区域的电子流占阴极发射总电流的比例)、电子逃逸率(参与电离而未被阳极接收的逃逸电子占透过门极的总电子数的比例定义为电子逃逸率)、气相离子收集率、ESD离子收集率等参数性能。

  1.2、模拟方法和步骤

  通过设置不同的电极参数,模拟计算不同参数下对应的CNT阴极电离规的各种性能的变化,分析研究规结构参数和CNT阴极电离规综合性能的相互关系,据此对电离规进行修正优化。具体的模型仿真步骤如下:①建立物理模型,初步选定参数;②进行网格划分;③求解不同参数下的电子瞬时运动状态;④修正和优化模型结构参数。

3、结论

  利用离子光学模拟软件SIMION3D8.0 和CAD建模软件构建了CNT 阴极电离规的物理模型,并对其结构进行了数值模拟分析。结果表明,不同的阴极基座直径、门极尺寸产生不同的电子运动轨迹;随着外屏与阳极栅网之间距离的增大,电子运动路径会先增大后减小;随着门极和阳极顶部间距的减小,电子逃逸率会逐渐增大;聚焦孔直径对正离子的收集有显著影响,当收集孔直径约为2mm时,气相离子/ESD离子收集比率会达到最大。显然,根据门极结构参数和CNT 阴极电离规的整体性能之间的变化规律,选取合适的阴极基座直径、门极尺寸、门极和阳极顶部间距、外屏蔽直径和聚焦孔直径等电极结构参数,就能够有效地提升CNT 阴极电离规的整体性能,从而进一步解决CNT阴极材料和电离规规管结构的匹配结合问题,延伸其真空测量下限。

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