Page 18 - 《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 137

2
−20
子碰撞 N 2 分子的碰撞电离截面为 3.965 5×10 m ， 导致电子发射效率相应下降。在 10 mm 距离处，
电离能量损失设置为 15.581 eV，假设 N 2 分子与电 实测电子最大发射效率为 0.91%，与仿真结果存在
子发生单电离碰撞，产生 N 2 离子。基于此，针对带 较大差距。经对比分析，该差异主要源于仿真与实
+
电粒子追踪模块进行瞬态求解，仿真高速定向稀薄 验在阴极结构上的不一致，仿真中只模拟了单圈螺
气体束流与电子束流的碰撞电离过程，根据求解结 旋状阴极灯丝的发射性能，而实验所用灯丝为五圈
果计算获得电子碰撞电离与离子无场飞行过程中 缠绕结构。实验过程中，阴极所发射的电子更易与
粒子总数的变化，如图 8 所示。 加速栅极、反射罩及阴极自身发生碰撞，造成显著
的发射电子损失，从而大幅降低电子发射效率。在
×10 6 后续研究与优化中，将基于当前实验与仿真的对比
2.6
结果，重点对电子枪的阴极结构与电极配置进行优
2.4
化，以提升电子发射效率与整体性能。
2.2

2.0
离子总数 1.8 −

1.6
1.4 e
1.2 Oscilloscope
1.0 A A A
0.8
0 10 20 30 40 50 60
时间/μs
图 9 热阴极脉冲电子枪实验电路示意图
图 8 粒子总数随时间的变化
Fig. 9 The experimental circuit diagram of hot cathode
Fig. 8 The change of the total number of particles with time
pulsed electron gun

从图 8 中可以看到，在电子碰撞电离过程中，
粒子总数变化分为三个阶段。在 0～7 μs 时，N 2 分 2.5
子束流进入真空腔室，N 2 无场飞行至电子束流出 2.0
口处；在 7～8.5 μs时，脉冲电子束流引出，N 2 与电 电子电流/μA 1.5
+
子碰撞电离产生 N 2 ；在 8.5～64.5 μs 时，剩余 N 2 与
+
N 2 无场飞行，被探测器接收。根据仿真结果，可以 1.0
−4
求解仿真获得的离子产率为 9.129 7×10 。理论计 0.5
算结合式（14）的 BEB 模型与表 1 给出的 N 2 电离 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
截面计算参数，所得离子产率为 9.441×10 ，由此可 电子飞行距离/mm
−4
知 仿 真 与 理 论 计 算 获 得 的 碰 撞 电 离 率 误 差为
图 10 电子电流随电子飞行距离的变化
3.297%，符合理论模型结论。
Fig. 10 The change of electron current with electron
2.3 实验测试
flight distance
根据仿真结果，对所设计的热阴极脉冲电子枪
进行了实验验证。实验在系统初始压力为 8.5× 3 结论
−5
10 Pa 的条件下开展，设置阴极电压为−70 V，加速 本文设计并验证了一种用于电离高速定向稀
栅极电压为−60 V，聚焦极的电子引出电压为 0 V， 薄气体束流的热阴极脉冲电子枪，通过仿真，系统
屏蔽罩电压接地，热阴极供电条件为 9.3 V/3.4 A， 分析了其电场分布、电子轨迹、电子能量和气体碰
此时该电子枪处于脉冲引出阶段。采用不锈钢板 撞电离性能。结果表明，该电子枪通过预提取电子
作为电子接收极，搭建如图 9 所示的测量电路对电 实现了纳秒级的高脉冲电子束流控制，有效克服了
子枪性能进行实验评估，实验结果如图 10 所示。 热阴极在高重复频率工作中因空间电荷建立时间
实验结果表明，随着电子枪出口与电子接收极之间 导致的发射响应延迟问题。仿真结果证实，该电子
的电子飞行距离的增加，电子收集电流逐渐降低， 枪能够在 40 ns 的脉冲电压周期内产生 70 eV 的脉