Page 14 - 《真空与低温》2026年第2期

史心怡等：热阴极脉冲电子枪设计与性能仿真 133

屏蔽罩 枪内的电场、电势分布；（3）根据电场随时间的变
反射罩
阴极 化规律，对电子在电场作用下的运动进行模拟计算，
加速栅极 获得粒子运动轨迹、速度、能量等数据。
聚焦极 为提高计算精度与效率，采用三维结构的二维
剖面进行模拟仿真。导入模型时省略了如螺栓、
（a）热阴极脉冲电子枪结构 （b）电子枪移动机构 垫片等对电场与粒子轨迹影响几乎可忽略的机械
图 2 热阴极脉冲电子枪及移动机构结构意图 连接件。电子枪的计算模型网格设置为三角形网
Fig. 2 Schematic of hot cathode pulsed electron gun 格，手动加密电子主要运动轨迹轴向的网格密度，
4
总网格数量约为 2.51×10 个。为了使得模拟结果
初始边界条件根据理论计算及电场分布分析
更加准确，应该设置较多的发射电子数目，但大量
确定。根据不同电子能量下 N 2 的电离截面可知， 电子会加大处理数据量，增加计算的时间，因此将
电子能量为 70 eV 时，电离几率最大，因此期望电 发射电子数量设置为 2×10 以提高计算效率。计
4
子枪产生的出射电子束流能量在 70 eV 左右。根 算时，设置阴极表面电子随机发射，电子发射过程
据以上计算，仿真设置阴极反射罩电压 U 1 为−75 V， 由电场与空间电荷效应共同控制，真空背景气体压
阴极电压 U 2 为−70 V，加速栅极电压 U 3 为−60 V， 力为 1×10 Pa。
−4
聚焦极的电子引出电压为 0 V，屏蔽罩电压接地。 2.2 仿真结果讨论与验证
根据以上分析，综合考虑电场分布和电极电压 采用 COMSOL 中 AC/DC 模块，对电子枪内部
对电子运动轨迹、发射效率、束流品质的影响，仿 静电场的电场分布进行瞬态仿真，得到脉冲电子枪
真具体步骤为：（1）用 SolidWorks 构建热阴极脉冲 在电子束流脉冲引出和关断阶段的电场分布结果，
电子枪三维模型；（2）使用 COMSOL 模拟计算电子 如图 3 所示。

8.96×10 4
0 −1.87 −1.87
0 −1.87 −1.87
−5.62 4 −5.62
−10 −9.37 8×10 −9.37
−13.1
−13.1
−16.9 7×10 4 −16.9
−20 −20.6 6×10 4 −20.6
−24.4
−24.4
表面电势/V −35.6 等值线电势/V 表面电势/V −35.6 等值线电势/V
−30 −28.1 5×10 4 −28.1
−31.9
−31.9
−40 −39.4 4×10 4 −39.4
−43.1
−43.1
−50 −46.9 3×10 4 −46.9
−50.6
−50.6
−54.4 4 −54.4
−60 −58.1 2×10 −58.1
−61.9 1×10 4 −61.9
−70 −65.6 −65.6
−69.4
−69.4
−73.1
−73.1
−75 −73.1 8.46×10 −11 −73.1
（a）脉冲引出阶段的电势分布 （b）脉冲引出阶段电场分布
0 −2 1.6×10 5 −2
0 −2 −2
−6 −6
−10 −10 1.4×10 5 −10
−14 −14
−20 −18 1.2×10 5 −18
−22
−22
−26 −26
−30 −30 1.0×10 5 −30
−34
−34
−40 表面电势/V −38 等值线电势/V 8.0×10 4 表面电势/V −38 等值线电势/V
−42
−42
−50 −46 6.0×10 4 −46
−50
−50
−54 −54
−60 −58 4.0×10 4 −58
−62 −62
−70 −66 2.0×10 4 −66
−70
−70
−80 −74 −9 −74
−78
−78
−80 −78 3.48×10 −78
（c）脉冲关断阶段的电势分布 （d）脉冲关断阶段的电场分布
图 3 热阴极脉冲电子枪电场分布仿真结果
Fig. 3 Simulation results of electric field distribution of hot cathode pulsed electron gun