一種基于COMSOL分子流仿真的電子源電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

羅婷婷

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥，230088）

0 引言

電子源即可以獲得電子束的裝置。電子源諸多重要應(yīng)用領(lǐng)域，如高壓整流管，X射線源，顯示器，高溫電子設(shè)備等等。電子源按照電子獲得方式分為四類：熱電子發(fā)射、光電子發(fā)射、二次電子發(fā)射、場(chǎng)致電子發(fā)射[1]。

早期電子器件中的電子源多采用熱電子發(fā)射的方式，把物體加熱到足夠高的溫度，當(dāng)陰極溫度升高，陰極材料內(nèi)部電子獲得足夠大的能量后，便克服功函數(shù)從陰極表面溢出，實(shí)現(xiàn)熱電子發(fā)射。但是熱電子發(fā)射存在固有缺陷，一是，電子源需要加熱以使電子獲得足夠的能量進(jìn)入真空；二是，熱陰極的最大電流密度的極限值比較低。克服上述不足，可利用場(chǎng)致發(fā)射取代熱電子發(fā)射，構(gòu)造新型的冷陰極電子源。所謂場(chǎng)發(fā)射，是指在物體表面施加強(qiáng)電場(chǎng)來抑制其表面勢(shì)壘，使物體內(nèi)的電子穿過表面勢(shì)壘并溢出。即利用外部電場(chǎng)來壓抑陰極的表面勢(shì)壘，使其勢(shì)壘高度降低、寬度變窄，當(dāng)其勢(shì)壘寬體與電子波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，由于電子的隧道效應(yīng)，陰極內(nèi)大量電子穿過陰極表面勢(shì)壘逸出，即在真空中形成場(chǎng)致電子發(fā)射[2]。

場(chǎng)發(fā)射電子源作為新型電子源，具有發(fā)射電流密度大，單色幸好，穩(wěn)定性好，零時(shí)間延遲的特點(diǎn)，在平板顯示器、微波放大器、X 射線管、離子推進(jìn)器等電子器件中有很好的應(yīng)用前景，因此場(chǎng)發(fā)射電子源極具研究應(yīng)用價(jià)值[3-4]。但是場(chǎng)發(fā)射電子源對(duì)真空度有比較嚴(yán)格的要求，需要超高真空度，例如利用場(chǎng)發(fā)射電子源作為電子源的X射線管對(duì)真空度的要求為10E-7pa左右，低于該真空度會(huì)導(dǎo)致電子源壽命和電子源性能的大幅降低。基于場(chǎng)發(fā)射電子源的小焦點(diǎn)X射線管陽(yáng)極對(duì)真空度的要求為10E-6pa左右，陽(yáng)極過熱會(huì)造成氣體釋放，導(dǎo)致真空度降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致X射線管被擊穿。

決定真空系統(tǒng)耐壓特性的因素有很多，主要集中在以下幾個(gè)方面：電極材料，電極間隙距離，電極的結(jié)構(gòu)以及電極表面形態(tài)[5-6]。任何固體材料在大氣環(huán)境下都能溶解、吸附一些氣體。當(dāng)材料置于真空中時(shí)，就會(huì)因解溶、解吸而出氣。對(duì)一般真空設(shè)備來說，材料的出氣是真空系統(tǒng)中最主要的氣源。不同的電極結(jié)構(gòu)其出氣面，以及出氣后的擴(kuò)散路徑不同，會(huì)對(duì)真空產(chǎn)生不同的影響。

本論文主要討論電子源真空系統(tǒng)中四種結(jié)構(gòu)的控制極電極對(duì)真空度的影響情況。利用comsol軟件的強(qiáng)大建模功能，分別對(duì)四種電極結(jié)構(gòu)（V字形，一字形，錐形電極，一字形上提）進(jìn)行三維分子流建模，計(jì)算不同控制極結(jié)構(gòu)出氣與真空泵抽氣達(dá)到平衡狀態(tài)后電子源處的壓強(qiáng)，根據(jù)歸一化數(shù)據(jù)分析對(duì)真空度影響較小的結(jié)構(gòu)。本研究的初步結(jié)果可對(duì)電子源等真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)。

1 分子流建模

1.1 基于COMSOL的分子流建模

COMSOL Multiphysics是一款高級(jí)有限元數(shù)值仿真分析軟件，可精確地模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的諸多物理過程，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計(jì)算。通過求解單場(chǎng)或者多場(chǎng)偏微分方程來實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真，COMSOL中定義模型的材料屬性、源項(xiàng)、以及邊界條件等可以是常數(shù)、任意變量的函數(shù)、邏輯表達(dá)式、或者一個(gè)代表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的插值函數(shù)等。

圖1 四種建模結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單示意圖

圖2 電極結(jié)構(gòu)分子流仿真計(jì)算得到的抽氣泵處的壓強(qiáng)值

利用COMSOL可有效求解分子流問題，四種結(jié)構(gòu)（V字形，一字形，錐形電極，一字形上提結(jié)構(gòu)）的分子流建模的步驟與思路是一致的，其仿真建模的基本步驟包括：（1）建立三維幾何模型（2）設(shè)置邊界條件，包括電壓，出氣面，出氣量，抽氣泵，材料等屬性的設(shè)置。（3）網(wǎng)格劃分（4）計(jì)算結(jié)果以及后處理。

由于電子源發(fā)射的電子束轟擊控制極出氣，會(huì)導(dǎo)致真空腔內(nèi)的真空度降低，為了研究那種結(jié)構(gòu)更有利于真空度的維持，我們分別對(duì)四種控制極設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)（V字形，一字形，錐形電極，一字形上提）進(jìn)行分子流建模，分子流三維建模是在一個(gè)高400mm半徑100mm的圓柱體真空域內(nèi)進(jìn)行的。圖1是主要結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單示意圖。位于區(qū)域中間高4mm半徑2mm的圓柱體模擬電子源發(fā)射的器件，真空泵的抽氣面半徑為50mm，位于圓柱體真空域的中間位置。V字形電極結(jié)構(gòu)截面呈現(xiàn)V字型，V字形是由兩個(gè)長(zhǎng)方形組成，長(zhǎng)方形的寬度是2mm，高度是20.66mm，V字拉伸的長(zhǎng)度是15mm。一字形電極結(jié)構(gòu)的截面是個(gè)長(zhǎng)方形，長(zhǎng)方形的寬度是2mm，高度是13.55mm，V字拉伸的長(zhǎng)度是15mm。上提一字形是指電極結(jié)構(gòu)比一字形結(jié)構(gòu)離電子源的距離更遠(yuǎn)，從18.7mm提高到32.7，提高了14mm。錐形電極的圓底半徑為0.1mm，錐形高為16mm。邊界條件設(shè)置為，真空泵的抽速設(shè)置為300l/s，出氣質(zhì)量通量為4.5947E-8kg/(m2·s)。

1.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)上述模型計(jì)算，計(jì)算不同控制極結(jié)構(gòu)出氣與真空泵抽氣達(dá)到平衡狀態(tài)后電子源處的壓強(qiáng)，得到不同控制極結(jié)構(gòu)出氣后在電子源處的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，以抽氣泵抽氣面作為基準(zhǔn)對(duì)電子源所在面的壓強(qiáng)值進(jìn)行歸一化處理，仿真計(jì)算四種結(jié)構(gòu)的電子源發(fā)射面處壓強(qiáng)的分布，結(jié)果如圖2所示。圖2（A）-圖2（D）分別是V字形電極，上提一字形，V字形電極，一字形，四種電極結(jié)構(gòu)的電子源處壓強(qiáng)數(shù)值。圖3是對(duì)具體數(shù)值做了柱狀分析圖，從圖3中可以看出，V字型控制極的電子源處壓強(qiáng)值最小，其次是上提一字形，再次是錐形，最大是一字型。一字形電極結(jié)構(gòu)電子源處壓強(qiáng)最大說明一字形控制極的出氣量比較大，主要是因?yàn)橐蛔中慰刂茦O為平面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電子束打在平面上的量較多，造成出氣較多，且出氣面離電子源較近，不利于出氣后氣體的擴(kuò)散，減弱了抽氣泵的作用。而上提一字形由于控制極與電子源的距離較遠(yuǎn)，使氣體有相對(duì)大的空間擴(kuò)散，降低了電子源處的壓強(qiáng)。V字形電極和錐形電極也是由于結(jié)構(gòu)的原因?qū)е驴刂茦O與電子源的距離變遠(yuǎn)，相對(duì)于一字形電極電子源處的壓強(qiáng)有所減小。總結(jié)，可見控制極為一字形時(shí)因電子轟擊導(dǎo)致的出氣對(duì)電子源處壓強(qiáng)的影響最大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)將控制極改為錐形或者V字型，具體應(yīng)參考工程實(shí)現(xiàn)的難易程度，綜合考量。近一步分析，相比于改變控制極結(jié)構(gòu)（一字形變成錐形或者V字形），拉遠(yuǎn)引出極與控制極的距離對(duì)轟擊出氣的改進(jìn)效果效果更明顯。

2 結(jié)論

本論文設(shè)計(jì)了四種電子源真空系統(tǒng)中的控制極電極結(jié)構(gòu)，利用comsol分子流建模仿真，使電極在電子束遭受轟擊時(shí)出氣量最小，定量地分析不同的電極結(jié)構(gòu)對(duì)電子源處壓強(qiáng)的影響。。論文分別對(duì)四種結(jié)構(gòu)的控制極電極（V字形，一字形，錐形電極，一字形上提）進(jìn)行三維分子流建模，計(jì)算不同控制極結(jié)構(gòu)出氣后在電子源處的壓強(qiáng)，歸一化數(shù)據(jù)仿真結(jié)果表明：一字形電子源處歸一化壓強(qiáng)大于錐形電子源處歸一化壓強(qiáng)數(shù)值，其次是上提一字形電子源處歸一化壓強(qiáng)值，V字形電子源處歸一化壓強(qiáng)值最小。由此可得到的結(jié)論是，相比于改變控制極結(jié)構(gòu)（一字形變成錐形或者V字形），拉遠(yuǎn)引出極與控制極的距離對(duì)轟擊出氣的改進(jìn)效果效果更明顯。本研究的初步結(jié)果可對(duì)電子源等真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

圖3 四種結(jié)構(gòu)壓強(qiáng)歸一化數(shù)據(jù)

參考文獻(xiàn)

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