碳納米管陰極電離規結構的模擬優(yōu)化設計
為了提升碳納米管(CNT)陰極電離規的綜合性能和實(shí)用性，本文利用離子光學(xué)模擬軟件SIMION3D8.0和CAD建模軟件構建了CNT陰極電離規的物理模型，且通過(guò)模擬計算得到不同電極結構參數對CNT陰極電離規各種性能的影響規律。研究結果表明，不同的陰極基座直徑、門(mén)極尺寸產(chǎn)生不同的電子運動(dòng)軌跡；電子運動(dòng)路徑隨著(zhù)外屏與陽(yáng)極柵網(wǎng)之間距離的增大先增大后減��；電子逃逸率隨著(zhù)門(mén)極和陽(yáng)極頂部間距的減小而逐漸增大；聚焦孔直徑對正離子的收集影響顯著(zhù)，且氣相離子/電子激勵脫附離子收集比率在收集孔直徑約為2mm 時(shí)達到最大。故選用合適的電極結構參數能有效地提高CNT陰極電離規的總體性能，延伸其真空測量下限。
超高/極高真空測量在空間探測、高能物理、熱核聚變、表面科學(xué)和納米技術(shù)等尖端技術(shù)領(lǐng)域都具有廣泛的應用需求。而傳統的金屬單尖型電離規、金屬陣列陰極、場(chǎng)發(fā)射陣列等已限制了超高/極高真空測量。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為碳納米管(CNT)陰極電離規以其場(chǎng)發(fā)射能耗低、發(fā)射電流大等優(yōu)點(diǎn)有望解決超高/極高真空測量難題，得到了國內外的廣泛關(guān)注。
目前國內外研制的CNT陰極電離規多處于實(shí)驗研究階段，尚未實(shí)現商業(yè)推廣應用，其中一個(gè)尚需拓展的關(guān)鍵因素就是CNT陰極材料和電離規規管結構的匹配結合問(wèn)題。因此，開(kāi)展CNT陰極電離規結構的模擬優(yōu)化設計將有助于這一問(wèn)題的解決。國內外許多學(xué)者對不同類(lèi)型電離規的電子運動(dòng)軌跡、靈敏度、電子激勵脫附(electrons stimulated desorption，ESD)效應、軟X射線(xiàn)效應等進(jìn)行了模擬和仿真計算，以?xún)?yōu)化其電極結構和電壓條件。董長(cháng)昆等使用SIMION2D軟件模擬了分離規和軌道式電離規的電子運動(dòng)軌跡，D.Nicolaescu根據V.Filip的理論推導模擬了幾種不同規管結構的電子軌跡。但對于冷陰極電離規，無(wú)法通過(guò)一個(gè)已知且精確的數學(xué)模型計算其相關(guān)參數，Lidija Irmancnik Belic等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )建模，對冷陰極電離規(CCG)相關(guān)參數進(jìn)行了模擬計算，模型誤差最大達到24.95%。本文基于規管中的電場(chǎng)電勢分布，利用離子光學(xué)軟件SIMION3D8.0和CAD建模軟件構建CNT陰極電離規的物理模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過(guò)數值模擬分析了電極結構參數對CNT陰極電離規的綜合性能的影響。
1、電離規數值模擬
1.1、電子瞬時(shí)運動(dòng)狀態(tài)分析
CNT陰極電離規為軸對稱(chēng)結構，其電極結構主要包括CNT陰極、門(mén)極、陽(yáng)極、外屏、反射極和收集極，其物理模型如圖1所示。
圖1 CNT陰極電離規的物理模型
電子在CNT 陰極電離規規管中所經(jīng)過(guò)的任意位置(x，y，z)處的電場(chǎng)分布(Ex，Ey，Ez)、電勢分布(U)、速度分布(vx，vy，vz)、電子能量K 等參量表征了電子瞬時(shí)運動(dòng)狀態(tài)。利用Simion離子光學(xué)軟件和自編程序可以選擇性模擬分析CNT陰極電離規的電子透過(guò)率(穿過(guò)門(mén)極柵網(wǎng)進(jìn)入陽(yáng)極電離區域的電子流占陰極發(fā)射總電流的比例)、電子逃逸率(參與電離而未被陽(yáng)極接收的逃逸電子占透過(guò)門(mén)極的總電子數的比例定義為電子逃逸率)、氣相離子收集率、ESD離子收集率等參數性能。
1.2、模擬方法和步驟
通過(guò)設置不同的電極參數，模擬計算不同參數下對應的CNT陰極電離規的各種性能的變化，分析研究規結構參數和CNT陰極電離規綜合性能的相互關(guān)系，據此對電離規進(jìn)行修正優(yōu)化。具體的模型仿真步驟如下：①建立物理模型，初步選定參數；②進(jìn)行網(wǎng)格劃分；③求解不同參數下的電子瞬時(shí)運動(dòng)狀態(tài)；④修正和優(yōu)化模型結構參數。
3、結論
利用離子光學(xué)模擬軟件SIMION3D8.0 和CAD建模軟件構建了CNT 陰極電離規的物理模型，并對其結構進(jìn)行了數值模擬分析。結果表明，不同的陰極基座直徑、門(mén)極尺寸產(chǎn)生不同的電子運動(dòng)軌跡；隨著(zhù)外屏與陽(yáng)極柵網(wǎng)之間距離的增大，電子運動(dòng)路徑會(huì )先增大后減��；隨著(zhù)門(mén)極和陽(yáng)極頂部間距的減小，電子逃逸率會(huì )逐漸增大；聚焦孔直徑對正離子的收集有顯著(zhù)影響，當收集孔直徑約為2mm時(shí)，氣相離子/ESD離子收集比率會(huì )達到最大。顯然，根據門(mén)極結構參數和CNT 陰極電離規的整體性能之間的變化規律，選取合適的陰極基座直徑、門(mén)極尺寸、門(mén)極和陽(yáng)極頂部間距、外屏蔽直徑和聚焦孔直徑等電極結構參數，就能夠有效地提升CNT 陰極電離規的整體性能，從而進(jìn)一步解決CNT陰極材料和電離規規管結構的匹配結合問(wèn)題，延伸其真空測量下限。
