Page 11 - 《真空与低温》2026年第2期
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130                                         真空与低温                                   第 32 卷 第  2  期


                  tent with theoretical predictions，demonstrating an error of only 3.297%. These findings serve to validate the effective collision
                  ionization performance of the electron gun and lay a valuable groundwork for future experimental verification and application.
                     Key words：hot cathode；pulsed electron gun；collision ionization；directed flow


               0 引言                                             导致结构出现微小变化，可能会对束流品质产生影
                                                                  [7]
                                                                响 。因此，现有的热阴极电子枪不能满足要求。
                  随着深空探测和空间资源开发利用需求的快
              速发展，空间复杂真空环境原位探测与计量已成为                                 近年来，为了研究电子枪结构尺寸和参数对电
              实现科学目标的关键环节。在空间真空环境中，当                            子束的电流密度和束流半径等的影响，国内外都对
              航天器的飞行速度高于所在环境的气体热速度时，                            热阴极电子枪的结构和工作原理进行了研究与讨
                                                                                              [8]
              其将处于非平衡态的定向流环境中。在此条件下，                            论。在仿真研究方面，叶禹豪等 利用                    CST Studio
              测量仪器的测量结果与相对于气体静止的环境中                             Suite 软件对电子枪的聚焦部件进行模拟，结果表
                                                                明，电子发射面到聚焦线圈端面距离越大，电子束
              所获得的测量结果相比是否存在系统偏差需要进
                                                                流半径越小；聚焦线圈半径越大，电子束流半径越
              行深入分析和研究。因此，有必要在地面模拟此类
                                                                大。李少林等 利用           CST  模拟得出聚束极电压对
                                                                             [4]
              定向流环境，用于校准这种环境下的测试装置。在
              针对非平衡态定向流的研究中，常利用电子束对稀                            电子枪束流大小、最小束腰半径以及束腰位置的
                                                                                     [9]
              薄气体束流进行碰撞电离，进而对产生的离子开展                            影响规律。石晓倩等 利用热阴极设计低能量
              后续实验，为此，需要设计一种能够产生特定电子                            电子枪进行仿真，并对聚焦极与控制极距离、聚焦
              束流的脉冲电子枪。                                         极厚度、聚焦极半径进行优化，获得电子聚焦作用
                  电子枪作为电子束流产生与调控的核心部件，                          明显的电子束流，提高束斑调节范围和工作效率。
              其性能直接决定电子束源的品质，常用作行波管、                            唐传祥等     [10]  研究微脉冲电子枪的束流动力学行为，
                    [1]
                                          [2]
              速调管 、磁控管、粒子加速器 、电子显微镜等仪                           获得电子倍增效应以及电子在电场和空间电荷效
                                                                应共同作用下的运动规律。
              器的核心器件，广泛应用于航空航天、国防军工以及
              工业制造如电子束焊接、熔炼、薄膜沉积等领域                      [3-4] 。     本文面向高速定向稀薄气体束流的碰撞电离
                                                                应用需求，基于热阴极电子发射原理和电子枪工作
                  电子枪的发射特性与聚焦性能受到多物理场
                                                                原理，设计了一种热阴极脉冲电子枪，该设计旨在
              的复杂耦合作用，如阴极发射效率、电子束流的空
                                                                克服传统热阴极因热稳定时间导致的脉冲响应延
              间电荷效应、束斑尺寸和发散角等，其优化设计在
                                                                迟，并抑制电子反轰与离子溅射现象，以提供高脉
              理论与实验方面仍存在局限性，而脉冲电子束流在
                                                                冲电子束流。同时设计了匹配的移动机构，用于调
              束源品质上对电子枪设计参数提出了更高的要求。
                                                                整电子枪与分子束流之间的距离。利用                     COMSOL
              热阴极脉冲电子枪需要在较短的脉冲周期内产生
                                                                软件建立有限元分析模型，设置适当的边界条件计
              具有较小的束斑尺寸与较快响应速度的电子束流，
                                                                算仿真模型，并根据结果进行分析，指导模型的修
              而传统的热阴极需要一定的加热时间达到工作温
                                                                正，通过反复修正模型确定热阴极脉冲电子枪的最
              度以实现稳定的电子发射，因此在应用时需要进行
                                                                终模型，并对电子枪进行机械设计。通过仿真软件
              提前预热与后续的冷却处理。在脉冲重复频率较
                                                                验证热阴极脉冲电子枪束流特性和电离性能，为后
              大时，阴极的热惯性会导致电子发射响应延迟，空
                                                                续实验验证提供数据参考。
              间电荷建立时间会导致脉冲上升时间延迟，响应时
              间较慢 。另外，由于热阴极电子枪本身的结构限                             1 理论模型与计算方法
                     [5]
              制，尤其在高重复频率下工作时，阴极发射的电子                                 热阴极脉冲电子枪通过热电子发射与电压调
              会产生电子反轰现象，加热阴极，从而产生更多电                            制生成电子束流，其工作过程可分为三个阶段：热
              子，对阴极的使用寿命造成损伤，影响阴极的稳定                            电子发射、电压调制、电子束聚焦与引出。
                       [6]
              发射性能 。在强电场作用下，阴极表面容易发生                             1.1 热电子发射
              离子溅射，从而导致阴极寿命缩短。同时，由于工                                 金属内部存在自由电子，这些自由电子的能量
              作时材料所处的高温环境和内部的热容，热阴极电                            分布满足费米统计规律。在真空或惰性气体环境
              子枪内的阴极和栅极等会因为材料的热膨胀效应                             下，当金属温度升高时，金属中的自由电子动能增
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