碳納米管陰極電離規(guī)結(jié)構(gòu)的模擬優(yōu)化設(shè)計
為了提升碳納米管(CNT)陰極電離規(guī)的綜合性能和實用性，本文利用離子光學模擬軟件SIMION3D8.0和CAD建模軟件構(gòu)建了CNT陰極電離規(guī)的物理模型，且通過模擬計算得到不同電極結(jié)構(gòu)參數(shù)對CNT陰極電離規(guī)各種性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，不同的陰極基座直徑、門極尺寸產(chǎn)生不同的電子運動軌跡；電子運動路徑隨著外屏與陽極柵網(wǎng)之間距離的增大先增大后減��；電子逃逸率隨著門極和陽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，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 時達到最大。故選用合適的電極結(jié)構(gòu)參數(shù)能有效地提高CNT陰極電離規(guī)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(tǒng)的金屬單尖型電離規(guī)、金屬陣列陰極、場發(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://genius-power.com/)認為碳納米管(CNT)陰極電離規(guī)以其場發(fā)射能耗低、發(fā)射電流大等優(yōu)點有望解決超高/極高真空測量難題，得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。
目前國內(nèi)外研制的CNT陰極電離規(guī)多處于實驗研究階段，尚未實現(xiàn)商業(yè)推廣應用，其中一個尚需拓展的關(guān)鍵因素就是CNT陰極材料和電離規(guī)規(guī)管結(jié)構(gòu)的匹配結(jié)合問題。因此，開展CNT陰極電離規(guī)結(jié)構(gòu)的模擬優(yōu)化設(shè)計將有助于這一問題的解決。國內(nèi)外許多學者對不同類型電離規(guī)的電子運動軌跡、靈敏度、電子激勵脫附(electrons stimulated desorption，ESD)效應、軟X射線效應等進行了模擬和仿真計算，以優(yōu)化其電極結(jié)構(gòu)和電壓條件。董長昆等使用SIMION2D軟件模擬了分離規(guī)和軌道式電離規(guī)的電子運動軌跡，D.Nicolaescu根據(jù)V.Filip的理論推導模擬了幾種不同規(guī)管結(jié)構(gòu)的電子軌跡。但對于冷陰極電離規(guī)，無法通過一個已知且精確的數(shù)學模型計算其相關(guān)參數(shù)，Lidija Irmancnik Belic等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，對冷陰極電離規(guī)(CCG)相關(guān)參數(shù)進行了模擬計算，模型誤差最大達到24.95%。本文基于規(guī)管中的電場電勢分布，利用離子光學軟件SIMION3D8.0和CAD建模軟件構(gòu)建CNT陰極電離規(guī)的物理模型，并進行網(wǎng)格劃分，通過數(shù)值模擬分析了電極結(jié)構(gòu)參數(shù)對CNT陰極電離規(guī)的綜合性能的影響。
1、電離規(guī)數(shù)值模擬
1.1、電子瞬時運動狀態(tài)分析
CNT陰極電離規(guī)為軸對稱結(jié)構(gòu)，其電極結(jié)構(gòu)主要包括CNT陰極、門極、陽極、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(guī)的物理模型
電子在CNT 陰極電離規(guī)規(guī)管中所經(jīng)過的任意位置(x，y，z)處的電場分布(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運動狀態(tài)。利用Simion離子光學軟件和自編程序可以選擇性模擬分析CNT陰極電離規(guī)的電子透過率(穿過門極柵網(wǎng)進入陽極電離區(qū)域的電子流占陰極發(fā)射總電流的比例)、電子逃逸率(參與電離而未被陽極接收的逃逸電子占透過門極的總電子數(shù)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(shù)性能。
1.2、模擬方法和步驟
通過設(shè)置不同的電極參數(shù)，模擬計算不同參數(shù)下對應的CNT陰極電離規(guī)的各種性能的變化，分析研究規(guī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和CNT陰極電離規(guī)綜合性能的相互關(guān)系，據(jù)此對電離規(guī)進行修正優(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(shù)；②進行網(wǎng)格劃分；③求解不同參數(shù)下的電子瞬時運動狀態(tài)；④修正和優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)參數(shù)。
3、結(jié)論
利用離子光學模擬軟件SIMION3D8.0 和CAD建模軟件構(gòu)建了CNT 陰極電離規(guī)的物理模型，并對其結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明，不同的陰極基座直徑、門極尺寸產(chǎn)生不同的電子運動軌跡；隨著外屏與陽極柵網(wǎng)之間距離的增大，電子運動路徑會先增大后減小；隨著門極和陽極頂部間距的減小，電子逃逸率會逐漸增大；聚焦孔直徑對正離子的收集有顯著影響，當收集孔直徑約為2mm時，氣相離子/ESD離子收集比率會達到最大。顯然，根據(jù)門極結(jié)構(gòu)參數(shù)和CNT 陰極電離規(guī)的整體性能之間的變化規(guī)律，選取合適的陰極基座直徑、門極尺寸、門極和陽極頂部間距、外屏蔽直徑和聚焦孔直徑等電極結(jié)構(gòu)參數(shù)，就能夠有效地提升CNT 陰極電離規(guī)的整體性能，從而進一步解決CNT陰極材料和電離規(guī)規(guī)管結(jié)構(gòu)的匹配結(jié)合問題，延伸其真空測量下限。
