一種基于COMSOL分子流仿真的電子源電極結構設計

羅婷婷

（中國電子科技集團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。電子源諸多重要應用領域，如高壓整流管，X射線源，顯示器，高溫電子設備等等。電子源按照電子獲得方式分為四類：熱電子發射、光電子發射、二次電子發射、場致電子發射[1]。

早期電子器件中的電子源多采用熱電子發射的方式，把物體加熱到足夠高的溫度，當陰極溫度升高，陰極材料內部電子獲得足夠大的能量后，便克服功函數從陰極表面溢出，實現熱電子發射。但是熱電子發射存在固有缺陷，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，可利用場致發射取代熱電子發射，構造新型的冷陰極電子源。所謂場發射，是指在物體表面施加強電場來抑制其表面勢壘，使物體內的電子穿過表面勢壘并溢出。即利用外部電場來壓抑陰極的表面勢壘，使其勢壘高度降低、寬度變窄，當其勢壘寬體與電子波長相當時，由于電子的隧道效應，陰極內大量電子穿過陰極表面勢壘逸出，即在真空中形成場致電子發射[2]。

場發射電子源作為新型電子源，具有發射電流密度大，單色幸好，穩定性好，零時間延遲的特點，在平板顯示器、微波放大器、X 射線管、離子推進器等電子器件中有很好的應用前景，因此場發射電子源極具研究應用價值[3-4]。但是場發射電子源對真空度有比較嚴格的要求，需要超高真空度，例如利用場發射電子源作為電子源的X射線管對真空度的要求為10E-7pa左右，低于該真空度會導致電子源壽命和電子源性能的大幅降低。基于場發射電子源的小焦點X射線管陽極對真空度的要求為10E-6pa左右，陽極過熱會造成氣體釋放，導致真空度降低，嚴重時會導致X射線管被擊穿。

決定真空系統耐壓特性的因素有很多，主要集中在以下幾個方面：電極材料，電極間隙距離，電極的結構以及電極表面形態[5-6]。任何固體材料在大氣環境下都能溶解、吸附一些氣體。當材料置于真空中時，就會因解溶、解吸而出氣。對一般真空設備來說，材料的出氣是真空系統中最主要的氣源。不同的電極結構其出氣面，以及出氣后的擴散路徑不同，會對真空產生不同的影響。

本論文主要討論電子源真空系統中四種結構的控制極電極對真空度的影響情況。利用comsol軟件的強大建模功能，分別對四種電極結構（V字形，一字形，錐形電極，一字形上提）進行三維分子流建模，計算不同控制極結構出氣與真空泵抽氣達到平衡狀態后電子源處的壓強，根據歸一化數據分析對真空度影響較小的結構。本研究的初步結果可對電子源等真空系統的結構設計提供參考和指導。

1 分子流建模

1.1 基于COMSOL的分子流建模

COMSOL Multiphysics是一款高級有限元數值仿真分析軟件，可精確地模擬科學和工程領域的諸多物理過程，廣泛應用于各個領域的科學研究以及工程計算。通過求解單場或者多場偏微分方程來實現真實物理現象的仿真，COMSOL中定義模型的材料屬性、源項、以及邊界條件等可以是常數、任意變量的函數、邏輯表達式、或者一個代表實測數據的插值函數等。

圖1 四種建模結構的簡單示意圖

圖2 電極結構分子流仿真計算得到的抽氣泵處的壓強值

利用COMSOL可有效求解分子流問題，四種結構（V字形，一字形，錐形電極，一字形上提結構）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，材料等屬性的設置。（3）網格劃分（4）計算結果以及后處理。

由于電子源發射的電子束轟擊控制極出氣，會導致真空腔內的真空度降低，為了研究那種結構更有利于真空度的維持，我們分別對四種控制極設計結構（V字形，一字形，錐形電極，一字形上提）進行分子流建模，分子流三維建模是在一個高400mm半徑100mm的圓柱體真空域內進行的。圖1是主要結構的簡單示意圖。位于區域中間高4mm半徑2mm的圓柱體模擬電子源發射的器件，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字形電極結構截面呈現V字型，V字形是由兩個長方形組成，長方形的寬度是2mm，高度是20.66mm，V字拉伸的長度是15mm。一字形電極結構的截面是個長方形，長方形的寬度是2mm，高度是13.55mm，V字拉伸的長度是15mm。上提一字形是指電極結構比一字形結構離電子源的距離更遠，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。邊界條件設置為，真空泵的抽速設置為300l/s，出氣質量通量為4.5947E-8kg/(m2·s)。

1.2 數據分析

對上述模型計算，計算不同控制極結構出氣與真空泵抽氣達到平衡狀態后電子源處的壓強，得到不同控制極結構出氣后在電子源處的壓強數據，以抽氣泵抽氣面作為基準對電子源所在面的壓強值進行歸一化處理，仿真計算四種結構的電子源發射面處壓強的分布，結果如圖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，四種電極結構的電子源處壓強數值。圖3是對具體數值做了柱狀分析圖，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。一字形電極結構電子源處壓強最大說明一字形控制極的出氣量比較大，主要是因為一字形控制極為平面結構，導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，使氣體有相對大的空間擴散，降低了電子源處的壓強。V字形電極和錐形電極也是由于結構的原因導致控制極與電子源的距離變遠，相對于一字形電極電子源處的壓強有所減小。總結，可見控制極為一字形時因電子轟擊導致的出氣對電子源處壓強的影響最大，在設計時應當將控制極改為錐形或者V字型，具體應參考工程實現的難易程度，綜合考量。近一步分析，相比于改變控制極結構（一字形變成錐形或者V字形），拉遠引出極與控制極的距離對轟擊出氣的改進效果效果更明顯。

2 結論

本論文設計了四種電子源真空系統中的控制極電極結構，利用comsol分子流建模仿真，使電極在電子束遭受轟擊時出氣量最小，定量地分析不同的電極結構對電子源處壓強的影響。。論文分別對四種結構的控制極電極（V字形，一字形，錐形電極，一字形上提）進行三維分子流建模，計算不同控制極結構出氣后在電子源處的壓強，歸一化數據仿真結果表明：一字形電子源處歸一化壓強大于錐形電子源處歸一化壓強數值，其次是上提一字形電子源處歸一化壓強值，V字形電子源處歸一化壓強值最小。由此可得到的結論是，相比于改變控制極結構（一字形變成錐形或者V字形），拉遠引出極與控制極的距離對轟擊出氣的改進效果效果更明顯。本研究的初步結果可對電子源等真空系統的結構設計提供參考。

圖3 四種結構壓強歸一化數據

參考文獻

[1]鄧少芝等.冷陰極電子源在微波器件上的應用[J].中山大學學報(自然科學版), 1998 (6) :26-29.

[2]遲云雁等.應用于X射線管的場發射電子源的研究[D].東南大學, 2010.

[3]雷威.基于碳納米管冷陰極的全封裝X射線管[C].中國電子學會真空電子學分會學術年會.

[4]趙江等.基于碳納米管冷陰極X射線管電子源研究進展[J].微納電子技術, 2015 , 52(11) :681-687.

[5]俞永波等.電極表面形態對真空擊穿特性的影響[J].電子器件, 2014 (3) :385-389.

[6]張海峰等.電極表面粗糙度對檢測電容的影響[J].光學精密程, 2013 ,21 (9) :2266-2271.