Page 15 - 《真空与低温》2026年第2期

134 真空与低温 第 32 卷 第 2 期

由图 3 所示的电场仿真结果表明，在脉冲引出 脉冲引出阶段的模型进行对应仿真，使其产生连续
阶段，加速栅极首先将阴极表面的热电子引出， 束流，与 COMSOL 结果进行对比，以验证仿真模型
形成“热电子云”，随后，聚焦极对该电子云进行聚 的准确性。将简化的电子枪模型导入 CST 中，采
5
焦、加速并引出，位于阴极后方的反射罩则起聚集 用六面体网格，总网格数目为 2.72×10 个，设置电
作用，减少电子流向屏蔽罩，从而提高电子发射效 极电压与电子源，获得如图 6 所示的电子束流轨迹。
率。屏蔽罩外壳接地，隔绝外部真空腔室与电子 模型在两个软件中的网格划分方式不同，得到相对
枪内部电场，保证电子束流与高速定向稀薄气体 一致的束流仿真结果。
碰撞电离时处在一个无场空间，气体电离产生的 由以上束流仿真结果分析可知，阴极发射的电
离子能够进行无场飞行，不改变气相离子的惯性 子中，一部分电子会打在加速栅极、阳极以及屏蔽
运动特征。 罩上而无法出射形成电子束流来参与后续碰撞电
利用带电粒子追踪模块，根据静电场瞬态仿 离，因此定义电子枪出口出射电子数目与阴极发射
真求解获得的电场分布结果，设定一个热电子入口， 电子数目之比为电子发射效率，定义收集电子数目
聚焦极施加的方波脉冲电压波形如图 4 所示，脉 与出射电子数目之比为电子收集效率。在 CST 中
4
冲引出阶段聚焦极电压为 0 V，脉冲关断阶段聚焦 设置 3×10 个电子随机分布在热阴极表面，进行
极电压为−80 V，周期为 40 ns，占空比为 0.625。 10 次仿真发射模拟，根据仿真结果计算电子发射
效率为 13.58%，电子收集效率为 100%，满足热阴

0 极脉冲电子枪设计要求。根据仿真结果，总电子数
−5
−10 中约 42.84% 的电子具有在加速栅极不同部分之间
−15 波动的轨迹。CST 与 COMSOL 仿真所得的电子
−20
聚焦极的电压值/V −30 发射效率存在差异，主要原因在于计算模型的精度
−25
−35
−40
仿真为提升计算效率，对网
−45
设置不同。COMSOL
−50
−55
−60
−65 格尺寸与步长进行了限制，从而未能精确模拟电子
在阴极、反射罩与加速栅极之间的振荡轨迹，导
−70
−75 致对电子损失的评估不足，使得电子发射效率计算
−80
0 100 200 300 400 500 600 偏高。而 CST 仿真时考虑了电子的振荡过程，更
x/ns
真实地反映了电子的实际损失机制，因此其结果
图 4 聚焦极脉冲电压波形 更为可靠。
Fig. 4 Pulse voltage waveform of focusing pole
由于电子之间相互作用的斥力影响，电子束
设置仿真时间 96 ns，得到各时刻电子枪束流 流受空间电荷效应影响会产生束流发散现象，整
轨迹如图 5 所示。 体的电子束流轨迹呈现先聚焦后发散的趋势。因
由束流仿真结果可知，聚焦极锥形孔处会形成 此，随着电子枪出口与收集电子的法拉第杯之间
具有聚焦作用的空间电场，其等势面呈弧状分布， 距离增大，电子收集效率会随之降低；随着电子枪
在聚焦极与加速栅极之间电势线分布密集，形成 出口与被测高速定向稀薄气体束流之间的距离
强电势梯度，使得电子在此区间内加速获得预期动 增大，脉冲电子束流与中性气体束流的电离效率
能。电子从电子枪出口出射进入真空无场区后，由 降低，碰撞电离所产生的离子脉冲信号宽度随之
于电子之间的空间电荷斥力使得电子束呈发散状 增大，定位离子到达离子探测器的时刻准确度
向下方运动。脉冲关断阶段，由于聚焦极与出口极 降低。同时，为了分析热阴极脉冲电子枪发射电子
板附近存在已被加速的残余电子，电场衰减过程中 的能量一致性，记录出射电子束流截面半径上的
仍能驱动该部分电子持续从电子枪出口出射。根 电子能量。结果显示，电子在出口直径 2 mm 束流
据仿真结果计算，电子发射效率约为 39.36%，收集 区域内的能量在 69.526～80.322 eV 范围内，该能
效率为 100%。 量范围对于 N 2 、H 2 等气体分子具有较大的碰撞电
利用 CST 软件中的粒子工作室模块对电子枪 离截面。