場(chǎng)發(fā)射顯示器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

金福姬

摘 要： 此次研究運(yùn)用C#及ANSYS軟件，對(duì)場(chǎng)發(fā)射顯示器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)其進(jìn)行仿真處理，形成更加便捷、優(yōu)質(zhì)的程序，在此次結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，還運(yùn)用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，將本程序過(guò)程進(jìn)行參數(shù)化處理，完成建模、加載等環(huán)節(jié)，借助于C#完成對(duì)程序參數(shù)的可視化處理，為其后續(xù)處理提供基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明，將C#及ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言運(yùn)用于場(chǎng)發(fā)射顯示器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化中，起到了良好的設(shè)計(jì)效果，在電場(chǎng)分布、電子發(fā)射及電流密度等方面，均實(shí)現(xiàn)了較大程度的改善。

關(guān)鍵詞： 場(chǎng)發(fā)射器；二次開發(fā)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

前言：場(chǎng)發(fā)射顯示器屬于一種顯示裝置，通過(guò)對(duì)其工作原理進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)陰極施加電場(chǎng)，使電子可以在隧道效應(yīng)的作用下，達(dá)到真空狀態(tài)，隨后電場(chǎng)在保持加速狀態(tài)，并向陰極釋放轟擊力，由此使其產(chǎn)生熒光，在電路控制下能夠顯示多種圖像。在當(dāng)前的顯示器市場(chǎng)中，場(chǎng)發(fā)射顯示器的應(yīng)用程度愈加廣泛，而且可與等離子體、液晶類顯示器具有相近的市場(chǎng)地位，具有良好的發(fā)展前景。而在評(píng)價(jià)場(chǎng)發(fā)射顯示器的顯示效果時(shí)，電流密度是其重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此在場(chǎng)發(fā)射顯示器的仿真設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)將應(yīng)激表面的電場(chǎng)強(qiáng)度、發(fā)散角及電流密度作為其主要參數(shù)。

在場(chǎng)發(fā)射顯示器結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，有限元法是一種應(yīng)用程度較高且應(yīng)用效果較好的方法，在該方法應(yīng)用過(guò)程中，需要使用到ANSYS軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于場(chǎng)發(fā)射顯示器的結(jié)構(gòu)、流體及電磁場(chǎng)進(jìn)行分析，在此過(guò)程中，主要包含前處理、加載、后處理等環(huán)節(jié)。將ANSYS引入到場(chǎng)發(fā)射的分析中，能夠更加準(zhǔn)確、全面的了解到電場(chǎng)分布、電子發(fā)射等情況。在場(chǎng)發(fā)射過(guò)程中，存在諸多因素會(huì)對(duì)其造成影響，主要包含結(jié)構(gòu)參數(shù)和電壓，若單純使用ANSYS進(jìn)行處理，可能會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的參數(shù)變化，難以得出準(zhǔn)確的結(jié)果。因此應(yīng)當(dāng)將APDL引入到場(chǎng)發(fā)射顯示器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，將原本復(fù)雜、大量的工作，簡(jiǎn)化為直觀、便捷的顯示界面。此外，C#由微軟公司開發(fā)以來(lái)，一直作為一種常用的編程語(yǔ)言，在與其它編程語(yǔ)言進(jìn)行對(duì)比時(shí)，體現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)性，因此本研究將其結(jié)合至場(chǎng)發(fā)射顯示器的優(yōu)化中，大幅提升設(shè)計(jì)效率。

一、仿真條件和方法

此次研究的場(chǎng)發(fā)射模型選用為Spindt，該模型屬于三極式結(jié)構(gòu)，發(fā)射體尖端為球形，主要負(fù)責(zé)信號(hào)的發(fā)射，發(fā)射體下端為截圓錐，整體來(lái)看，該模型表現(xiàn)出較強(qiáng)的對(duì)稱性，其截面圖如下圖1所示。

在此次研究中，以下參數(shù)保持不變：球臺(tái)角度為60°，柵極厚度為0.03μm，陰極與陽(yáng)極之間保持在1.2μm的范圍內(nèi)，陰陽(yáng)極直徑確定為2.4μm。由于介質(zhì)層與椎尖二者的距離相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)于發(fā)生過(guò)程造成的影響不足，因此忽略不計(jì)。在該設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常需要對(duì)七個(gè)主要數(shù)據(jù)加以處理，其中包括柵極電壓、柵孔半徑、柵陰距離等，通常需要使用F-N方程對(duì)其發(fā)散角加以計(jì)算，在改過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)數(shù)百次的建模和計(jì)算，工作量較高。此次研究選用ANSYS法代替以往的計(jì)算方式，首先利用ANSYS基礎(chǔ)算法對(duì)其進(jìn)行常規(guī)計(jì)算，隨后運(yùn)用APDL配合計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果以log文本的形式予以表示，作為后續(xù)計(jì)算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，利用模板log連續(xù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為log文件，由程序?qū)ζ溥M(jìn)行讀取和顯示，與此同時(shí)，匯總數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)記錄就會(huì)相應(yīng)的增加1條，但數(shù)據(jù)記錄達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于場(chǎng)發(fā)射顯示器的結(jié)構(gòu)優(yōu)。

二、計(jì)算結(jié)果

在使用C#進(jìn)行編程后，需要填入多條參數(shù)，具體包括柵極電壓、柵孔半徑、柵陰距離等，ANSYS具有保護(hù)自己版權(quán)的作用，因此不具備可與其它程序進(jìn)行連接的接口，輸入及輸出等操作都需要通過(guò)文本文件去處理。此外，此次研究還具有專門的設(shè)置文件，其主要作用在于存儲(chǔ)ANSYA數(shù)據(jù)及信息，明確其文件位置。在整個(gè)程序完成計(jì)算后，場(chǎng)發(fā)射顯示器的界面上會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)數(shù)值，也就是優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)值，其中包含陰極表面強(qiáng)度、電子束發(fā)射角以及電流強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，與此同時(shí)，程序還會(huì)根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，及時(shí)的呈現(xiàn)出電子發(fā)射軌跡圖，通過(guò)該圖能夠明確發(fā)現(xiàn)電子束的發(fā)散角，每完成一次程序計(jì)算，就可以得出一組參數(shù)，作為場(chǎng)發(fā)射顯示器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化值，并匯總到數(shù)據(jù)文件中。

當(dāng)陰極表面的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射，這個(gè)也是場(chǎng)發(fā)射顯示器的重要指標(biāo)。椎尖半徑是形成尖端效應(yīng)的最主要因素，同時(shí)也會(huì)對(duì)陰極表面強(qiáng)度產(chǎn)生較大程度的影響。因此，通過(guò)分析椎尖半徑和表面場(chǎng)強(qiáng)的變化，能夠發(fā)現(xiàn)二者之間存在反向關(guān)系，也就是在椎尖半徑增加的情況下，場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的下降，發(fā)散角應(yīng)當(dāng)控制在相對(duì)合理的范圍內(nèi)，避免應(yīng)該數(shù)值過(guò)高而降低場(chǎng)發(fā)射顯示器的清晰程度。

三、討論

陽(yáng)極電壓以場(chǎng)發(fā)射顯示器的電場(chǎng)分布情況具有較為緊密的關(guān)聯(lián)，同時(shí)也與電子束的發(fā)散角具有密切關(guān)聯(lián)，對(duì)比陽(yáng)極電壓與發(fā)散角的變化情況，在陽(yáng)極電壓的數(shù)值不斷增大的情況下，其發(fā)散角會(huì)出現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。要確保場(chǎng)發(fā)射顯示器的顯示亮度能夠達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，就需要不斷提高其場(chǎng)發(fā)射電流數(shù)值。椎尖半徑的數(shù)值，對(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度具有直接關(guān)聯(lián)的情況下，對(duì)于場(chǎng)發(fā)射表面積也會(huì)產(chǎn)生較為密切的影響，在椎尖半徑長(zhǎng)度不斷增加的情況下，其電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢(shì)。以F-N方程的計(jì)算原理可以得知，在電流密度相對(duì)較高的情況下，其場(chǎng)發(fā)射面積出現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)，對(duì)比椎尖半徑與電流強(qiáng)度二者之間的關(guān)系，并不具有較為明顯的相關(guān)性，將仿真系統(tǒng)引入到場(chǎng)發(fā)射顯示器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，能夠較為明確的辨別椎尖半徑對(duì)于電流強(qiáng)度的影響，在使用F-N方程對(duì)該關(guān)系進(jìn)行分析的情況下發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)電流同椎尖半徑的變化，呈現(xiàn)出近視于指數(shù)的關(guān)系。

相較于常規(guī)模式下所采用的設(shè)計(jì)方法，將二次開發(fā)引入到場(chǎng)發(fā)射顯示器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化中，體現(xiàn)出較為顯著的便捷性，可以運(yùn)用多種方式對(duì)程序中的參數(shù)進(jìn)行觀察、計(jì)算及處理，而且在處理完成后，還能夠?qū)⒉煌M別的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而從中選擇適用性更高的設(shè)計(jì)方案。在實(shí)踐優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)于關(guān)鍵指標(biāo)的控制與處理，尤其是在場(chǎng)強(qiáng)、發(fā)散角及強(qiáng)度數(shù)值較高的情況下，需要考察其優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝的可行性。

結(jié)語(yǔ)：本文主要圍繞場(chǎng)發(fā)射顯示器進(jìn)行探究，圍繞其結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行具體的分析，通過(guò)對(duì)C#和ANSYS等二次開發(fā)程序的引入，使建模、加載及處理等環(huán)節(jié)更加便捷化，而且提高了操作界面的可視性，即便在用戶不熟悉、不理解ANSYS系統(tǒng)的情況下，也能夠取得良好的設(shè)計(jì)效果。在經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，用戶僅需在場(chǎng)發(fā)射顯示器中輸入?yún)?shù)，就可以在完全自動(dòng)的情況下完成電場(chǎng)參數(shù)計(jì)算，體現(xiàn)出ANSYS的便捷性和快速性，而且可以通過(guò)計(jì)算結(jié)果和軌跡圖的形式予以表示出來(lái)，產(chǎn)生一組兼具參數(shù)值和優(yōu)化值的信息。該系統(tǒng)還具有可重復(fù)操作的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)多次計(jì)算后，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的多層次對(duì)比，起到優(yōu)化場(chǎng)發(fā)射顯示器結(jié)構(gòu)的目的。■

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