張虎忠 李得天? 董長(zhǎng)昆? 成永軍 肖玉華

1)(蘭州物理研究所真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000)

2)(溫州大學(xué)微納結(jié)構(gòu)與光電器件研究所，溫州 325000)

(2012年9月26日收到;2013年1月10日收到修改稿)

1 引言

應(yīng)用碳納米管(carbon nanotube，CNT)場(chǎng)發(fā)射電子技術(shù)的電離規(guī)是解決極高真空測(cè)量難題的有效技術(shù)手段[1-3].近十年來(lái)，CNT陰極電離規(guī)受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，許多學(xué)者先后將CNT陰極應(yīng)用到不同類(lèi)型的電離規(guī)中，開(kāi)展了相關(guān)的研究工作[4-14]，并針對(duì)電極電壓與電離規(guī)工作性能的相互關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.Dong和Myneni[4,5]將CNT陰極應(yīng)用于分離規(guī)中，實(shí)驗(yàn)研究了陽(yáng)極電壓和門(mén)極電壓對(duì)電子透過(guò)率以及陽(yáng)極電流的影響，測(cè)得該電離規(guī)靈敏度為0.03 Pa-1，真空測(cè)量下限為10-8Pa;Sheng等[6]將CNT陰極應(yīng)用于鞍場(chǎng)規(guī)，研究了陽(yáng)極電壓和靈敏度的相互關(guān)系，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該電離規(guī)具有較高的靈敏度(1.7 Pa-1)，但是受限于CNT陰極發(fā)射電流的穩(wěn)定性差，其測(cè)量下限只達(dá)到3×10-5Pa;Huang[8]，Suto[9]，Knapp[12]，Liu 等[14]先后將 CNT陰極應(yīng)用到B-A規(guī)中，實(shí)驗(yàn)研究了電極電壓對(duì)電離規(guī)的性能影響，其中，Huang、Liu等針對(duì)門(mén)極處電子透過(guò)率與電極電壓的相互關(guān)系進(jìn)行了研究，該規(guī)型的CNT陰極電離規(guī)所能達(dá)到的最大靈敏度為0.15 Pa-1，測(cè)量下限最低為10-7Pa[12].綜合分析國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明，目前CNT陰極電離規(guī)普遍存在靈敏度低和測(cè)量下限不能滿(mǎn)足應(yīng)用要求等問(wèn)題，而研究電極電壓和規(guī)管結(jié)構(gòu)對(duì)CNT陰極電離規(guī)性能的影響，是解決以上問(wèn)題、提高CNT陰極電離規(guī)性能的關(guān)鍵因素.

目前針對(duì)電極電壓對(duì)CNT陰極電離規(guī)性能影響的分析主要采用實(shí)驗(yàn)研究手段，應(yīng)用數(shù)值模擬研究的方法很少;而對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究中采用的各種規(guī)型而言，只有分離規(guī)能夠很好地抑制軟X射線(xiàn)效應(yīng)(電子撞擊電極時(shí)產(chǎn)生軟X射線(xiàn)，軟X光子照射離子收集極，發(fā)生光電子發(fā)射，產(chǎn)生正離子流，導(dǎo)致收集極接收氣相離子流時(shí)存在本底干擾)和電子激勵(lì)脫附(ESD)效應(yīng)(當(dāng)電子收集極表面吸附一層化學(xué)活性氣體 (如 O2，H2，H2O，CO 等)時(shí)，受到電子碰撞，解吸出正離子和中性分子等，造成電離規(guī)的測(cè)量誤差)[3]，因而基于分離規(guī)結(jié)構(gòu)的CNT陰極電離規(guī)也是目前為止實(shí)現(xiàn)測(cè)量下限最低的規(guī)型[4].因此，本文基于IE514分離規(guī)結(jié)構(gòu)，建立CNT陰極電離規(guī)計(jì)算模型，采用離子光學(xué)模擬軟件SIMION 8.0[15]和自編程序，通過(guò)計(jì)算電離規(guī)中的電場(chǎng)分布和電子、離子運(yùn)動(dòng)軌跡，研究了電極電壓對(duì)靈敏度影響;通過(guò)分析門(mén)極處電子透過(guò)率(transmission ratio)和電離規(guī)中電子逃逸率(escaped ratio)，研究了電極電壓對(duì)陽(yáng)極電流與陰極發(fā)射電流比值(Igrid/Ie)的影響.

2 計(jì)算模型與分析方法

基于IE514分離規(guī)結(jié)構(gòu)的CNT陰極電離規(guī)為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，其電極結(jié)構(gòu)主要包括CNT陰極、門(mén)極、陽(yáng)極、外屏、反射極和收集極，其三維結(jié)構(gòu)模型和電極相對(duì)位置如圖1所示.CNT陰極是直徑5 mm的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)門(mén)極柵網(wǎng)直徑5 mm，透明度67%，陽(yáng)極柵網(wǎng)直徑3 mm，收集孔直徑2.5 mm，外屏直徑35 mm，門(mén)極與陰極間距150μm，陽(yáng)極柵網(wǎng)頂部距離門(mén)極柵網(wǎng)表面4 mm，陽(yáng)極柵網(wǎng)底部距離收集孔2 mm.

2.1 基本方程和原理

CNT陰極電離規(guī)的工作主要受限于靈敏度低、發(fā)射電流小、真空測(cè)量下限不滿(mǎn)足要求、陰極穩(wěn)定性差等問(wèn)題.本文主要考慮電極電壓對(duì)規(guī)管中電場(chǎng)分布、靈敏度和陽(yáng)極電流(陰極發(fā)射出來(lái)后穿過(guò)門(mén)極并參與氣體分子電離的電子流)與陰極發(fā)射電流比值(Igrid/Ie)的影響.

圖1 (a)CNT陰極電離規(guī)三維物理模型(剖面圖);(b)電極相對(duì)位置示意圖

根據(jù)電離規(guī)工作原理，其對(duì)氣體壓力的測(cè)量和標(biāo)定是通過(guò)探測(cè)微電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體表達(dá)式為

電離規(guī)標(biāo)準(zhǔn)方程：

結(jié)合(1)和(2)式，推導(dǎo)得出電離規(guī)靈敏度定義式如下：

在 (1)，(2)，(3)式中，P 表示環(huán)境被測(cè)壓力，L 表示電子運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度，k是波爾茲曼常數(shù)，T表示絕對(duì)溫度，I+是收集極接收的氣相離子流，I是電子流，σ表示電子對(duì)某種氣體的電離橫截面，其值正比于氣體分子碰撞橫截面和電離概率的乘積，碰撞橫截面取決于分子平均自由程.

因此，由以上式子可以推導(dǎo)出兩種規(guī)型靈敏度比對(duì)公式如下：

其中，1，2分別代表兩種電離規(guī)規(guī)型，γ表示電離概率.

通常，電離規(guī)的陽(yáng)極電流和靈敏度均由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在數(shù)值模擬中，根據(jù)(4)式，靈敏度的理論值可根據(jù)電子運(yùn)動(dòng)軌跡L和電離概率比對(duì)獲得.關(guān)于電離概率和電子能量之間的關(guān)系，Lotz對(duì)電子與原子碰撞電離開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，并根據(jù)電離橫截面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出近似的經(jīng)驗(yàn)公式[16]：

其中，σ表示電離橫截面;E表示電子能量(eV);χ1表示原子最外層電子電離能(eV);χ2表示僅次于最外層電子的亞層電子電離能(eV)，依次類(lèi)推;表示加權(quán)平均電離能(eV);a=4.0×10-14;ξ≥0.5，作為慢變化函數(shù)，其值逐漸趨近于等效電子數(shù).一般情況下，N設(shè)置為2，對(duì)于Kr，Xe等，設(shè)置N=3.國(guó)內(nèi)外學(xué)者實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果與以上經(jīng)驗(yàn)公式一致性都非常好，因而電離概率的比對(duì)將依據(jù)已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[17].

由于CNT陰極電離規(guī)通常工作在超高/極高真空環(huán)境下，所以在計(jì)算中可將空間電荷效應(yīng)忽略，對(duì)于電離規(guī)中電場(chǎng)分布可通過(guò)求解拉普拉斯方程(7)獲得，電子運(yùn)動(dòng)軌跡可通過(guò)求解靜電場(chǎng)力作用下的牛頓運(yùn)動(dòng)方程(8)得到，具體表達(dá)式如下：

為提高計(jì)算精度和模擬結(jié)果的正確可靠，在模擬計(jì)算中采用三維結(jié)構(gòu)模型，整個(gè)CNT陰極電離規(guī)計(jì)算模型的網(wǎng)格單元均為“六面體”型，總網(wǎng)格數(shù)為108個(gè)左右.圖2給出了CNT陰極電離規(guī)電子發(fā)射系統(tǒng)(陰極和門(mén)極)的網(wǎng)格模型圖.根據(jù)方程(7)，(8)及相應(yīng)的邊界條件，利用有限差分法和超松弛迭代算法可計(jì)算出電離規(guī)中的電場(chǎng)分布，采用四階龍格庫(kù)塔法計(jì)算靜電場(chǎng)中的離子和電子的運(yùn)動(dòng)方程，最終得到計(jì)算模型中離子和電子運(yùn)動(dòng)軌跡，用以分析電極電壓對(duì)CNT陰極電離規(guī)電場(chǎng)分布、靈敏度及Igrid/Ie比值的影響.

圖2 CNT陰極電子發(fā)射系統(tǒng)網(wǎng)格劃分圖

2.2 邊界條件設(shè)置

圖1對(duì)模型的各個(gè)邊界面都進(jìn)行了標(biāo)注，并在表1中做了具體說(shuō)明.

表1 CNT陰極電離規(guī)的邊界條件說(shuō)明

對(duì)于傳統(tǒng)的分離規(guī)而言，其陰極電子發(fā)射機(jī)制為熱致發(fā)射，因此在較低的電極電壓下即可實(shí)現(xiàn)工作.然而，對(duì)于分離規(guī)結(jié)構(gòu)的CNT陰極電離規(guī)而言，其陰極電子發(fā)射機(jī)制為場(chǎng)致發(fā)射(開(kāi)啟電場(chǎng)強(qiáng)度不低于106V/m)，同時(shí)考慮到目前CNT陰極的制備和加工工藝水平，需要在較高的電極電壓下才能實(shí)現(xiàn)工作[18].以門(mén)極間距100μm為例，對(duì)尺寸5 mm的CNT陰極，針對(duì)電離規(guī)工作電流滿(mǎn)足于0.1 mA的應(yīng)用要求，門(mén)極電壓一般在400 V以上，而熱陰極一般工作在數(shù)十伏電位.因而，高的門(mén)極電壓對(duì)場(chǎng)發(fā)射陰極電離規(guī)性能的影響是數(shù)值模擬研究的重點(diǎn)，電極電壓具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2.

2.3 模擬思路和步驟

極高真空測(cè)量中，要盡可能延伸CNT陰極電離規(guī)測(cè)量下限，需要提高靈敏度S和陽(yáng)極電流Igrid.靈敏度由電極電壓和電子有效運(yùn)動(dòng)軌跡決定;陽(yáng)極電流表示參與陽(yáng)極區(qū)域氣體電離的電子流，CNT陰極電離規(guī)不同于傳統(tǒng)熱陰極電離規(guī)，CNT陰極表面存在一個(gè)高電壓門(mén)極，陰極發(fā)射電子不能全部通過(guò)門(mén)極柵網(wǎng)參與陽(yáng)極區(qū)域氣體分子的有效電離，同時(shí)又因?yàn)殚T(mén)極電壓較高(通常達(dá)到400 V以上)，參與了陽(yáng)極區(qū)域氣體電離的電子中部分會(huì)逃逸進(jìn)入真空環(huán)境中，不能全部被陽(yáng)極接收，因而，CNT陰極電離規(guī)陽(yáng)極電流計(jì)算必須考慮門(mén)極處電子透過(guò)率和規(guī)管中電子逃逸率.

表2 CNT陰極電離規(guī)電極電壓設(shè)置

根據(jù)2.1中的電離規(guī)基本方程，考慮靈敏度定義式(3)和比對(duì)計(jì)算公式(4)，綜合考慮電場(chǎng)分布對(duì)電子運(yùn)動(dòng)軌跡、門(mén)極處電子透過(guò)率和電子逃逸率的影響，研究電極電壓對(duì)靈敏度和Igrid/Ie比值的影響.具體步驟如下：

1)根據(jù)當(dāng)前CNT陰極的物理特性和制備工藝水平，選定陰極的特性參數(shù).

2)基于IE514分離規(guī)設(shè)定規(guī)管結(jié)構(gòu)參數(shù)，和選定的CNT陰極相結(jié)合，利用離子光學(xué)軟件SIMION 8.0建立物理模型.

3)確定規(guī)管中的有效電離空間.所謂的有效電離空間，是指在該空間中碰撞電離的離子能夠被收集極接收.在規(guī)管中假設(shè)某一點(diǎn)碰撞產(chǎn)生離子的位置，計(jì)算該點(diǎn)的離子是否被離子收集極接收，逐次變換碰撞電離產(chǎn)生離子的位置，最終求解得到有效電離空間.

4)變換電極電壓設(shè)置，計(jì)算電子有效運(yùn)動(dòng)軌跡(分布在有效電離空間中的電子運(yùn)動(dòng)軌跡)，分析相應(yīng)的靈敏度變化;計(jì)算陰極發(fā)射電子在門(mén)極處透過(guò)率和規(guī)管中電子逃逸率，分析Igrid/Ie比值.

3 數(shù)值模擬與結(jié)果討論

CNT陰極電離規(guī)靈敏度取決于規(guī)型結(jié)構(gòu)和電極電壓，Igrid/Ie比值取決于門(mén)極處的陰極發(fā)射電子的透過(guò)率和規(guī)管中電子逃逸率.根據(jù)2.1的基本方程和2.3的模擬思路，分析規(guī)管中電場(chǎng)分布和有效電離空間，計(jì)算電子有效運(yùn)動(dòng)軌跡，研究電極電壓對(duì)靈敏度及Igrid/Ie比值的影響.

模擬中，CNT陰極表面場(chǎng)發(fā)射電子相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：電子初始能量為0.1 eV，帶一個(gè)單位負(fù)電荷，質(zhì)量為5.48579903×10-4amu.電子在Y方向初始位置坐標(biāo)為4.2 mm，隨機(jī)分布在XZ平面上直徑5 mm的圓面內(nèi)，圓心坐標(biāo)為(0，4.2，0).

3.1 電極電壓對(duì)靈敏度影響分析

電極電壓的變化對(duì)CNT陰極電離規(guī)規(guī)管空間的電場(chǎng)分布具有明顯的影響，從而會(huì)造成有效電離空間和電子有效運(yùn)動(dòng)軌跡的變化.圖3所示是選擇不同電極電壓，對(duì)應(yīng)規(guī)管中軸線(xiàn)電勢(shì)分布變化曲線(xiàn);圖4所示即電子總運(yùn)動(dòng)軌跡和電子有效運(yùn)動(dòng)軌跡的變化曲線(xiàn).由圖可知，電極電壓改變?cè)斐闪穗妶?chǎng)分布的變化，而且隨著陽(yáng)極電壓的升高，電子總運(yùn)動(dòng)軌跡不斷延長(zhǎng)，同等陽(yáng)極電壓條件下，低門(mén)極電壓(350 V)對(duì)應(yīng)的軌跡最長(zhǎng)，有效運(yùn)動(dòng)軌跡則呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)，當(dāng)陽(yáng)極電壓為門(mén)極電壓的1.6倍左右時(shí)，有效運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度會(huì)達(dá)到一個(gè)局部小峰值.

圖3 規(guī)管中沿Y軸線(xiàn)電勢(shì)變化關(guān)系

圖4 電子運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度隨陽(yáng)極電壓變化關(guān)系

對(duì)于靈敏度的計(jì)算，由定義式計(jì)算其數(shù)值非常困難，通常利用實(shí)驗(yàn)手段獲得其實(shí)驗(yàn)值，本文通過(guò)CNT陰極電離規(guī)和IE514分離規(guī)的有效電子運(yùn)動(dòng)軌跡(分布于有效電離空間中的電子運(yùn)動(dòng)軌跡)比對(duì)，同時(shí)，根據(jù)比對(duì)公式(3)，考慮了不同陽(yáng)極電壓對(duì)應(yīng)電離概率之間的比對(duì)值(以N2分子為例，γ220V/γ500V≈1.6)[17]，最終理論推導(dǎo)得出不同電極電壓條件下的CNT陰極電離規(guī)靈敏度數(shù)值.IE514分離規(guī)的電子運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5(b)所示，圖5(a)和圖6是CNT陰極電離規(guī)電子運(yùn)動(dòng)軌跡和通過(guò)離子運(yùn)動(dòng)軌跡模擬獲得的有效電離空間(電壓設(shè)置：門(mén)極450 V，陽(yáng)極700 V，反射極700 V)，與已報(bào)道的研究結(jié)果符合性很好[4,5].

圖5 電子運(yùn)動(dòng)軌跡 (a)CNT陰極電離規(guī);(b)IE514分離規(guī)

圖6 有效電離空間二維平面圖

圖7 靈敏度隨陽(yáng)極電壓變化關(guān)系

靈敏度的數(shù)值模擬中，根據(jù)CNT陰極的工作特性，門(mén)極電壓分別設(shè)置為550 V，450 V，350 V，陽(yáng)極電壓由350 V到1000 V可調(diào)，結(jié)果如圖7所示.當(dāng)門(mén)極電壓固定為450 V，陽(yáng)極電壓不斷變化時(shí)，靈敏度模擬結(jié)果介于0.017 Pa-1—0.025 Pa-1之間，其中，陽(yáng)極電壓700V時(shí)對(duì)應(yīng)的靈敏度為0.020 Pa-1，此結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果具有很好的一致性.文獻(xiàn)[4]的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果為：0.015—0.019 Pa-1(真空度低于1×10-7Pa)，最高值可以達(dá)到0.03 Pa-1.以上分析說(shuō)明了本文計(jì)算模型和模擬方法的正確性，此數(shù)值模擬結(jié)果也為實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果提供了很好的理論依據(jù).

由圖7可知，在三組不同門(mén)極電壓條件下，靈敏度都會(huì)隨著陽(yáng)極電壓的升高會(huì)逐漸下降，分析其原因，此變化規(guī)律是由電子碰撞電離概率和有效運(yùn)動(dòng)軌跡決定的.首先，由圖4可知，隨著陽(yáng)極電壓的升高，電子總運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)不斷延長(zhǎng)，而當(dāng)陽(yáng)極電壓為門(mén)極電壓的1.6倍左右時(shí)，有效運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度會(huì)達(dá)到一個(gè)局部小峰值，但是有效軌跡長(zhǎng)度隨陽(yáng)極電壓變化整體趨于平穩(wěn);其次，CNT陰極電離規(guī)與傳統(tǒng)熱陰極電離規(guī)(150 V—200 V左右陽(yáng)極電壓)相比，CNT陰極電離規(guī)需要在較高的門(mén)極電壓和陽(yáng)極電壓下工作，而陽(yáng)極電壓升高會(huì)造成電離概率的顯著下降.以N2分子為例，實(shí)驗(yàn)得出電離區(qū)域中的電子能量為100 eV左右時(shí)，與電離概率相關(guān)的系數(shù)ε達(dá)到最大，其值為10.25左右，隨著電子能量進(jìn)一步增大，ε顯著下降，電子能量為500 eV時(shí)，ε降為5.53[17].由此可知，陽(yáng)極電壓變化造成的電子有效運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度變化一定程度上會(huì)影響靈敏度數(shù)值，但不是主要影響因素，而導(dǎo)致靈敏度變化的主要原因是門(mén)極電壓和陽(yáng)極電壓升高所造成的電子電離概率下降.通過(guò)對(duì)圖7中的三條曲線(xiàn)分析表明，選擇較高門(mén)極電壓，對(duì)應(yīng)靈敏度平均值較低，這一結(jié)果進(jìn)一步證明陽(yáng)極電壓的升高造成規(guī)管中電子電離概率下降是導(dǎo)致靈敏度下降的根本原因.

3.2 電極電壓對(duì)電子透過(guò)率和逃逸率影響分析

電極電壓的變化對(duì)CNT陰極和門(mén)極之間電場(chǎng)分布會(huì)產(chǎn)生較為顯著的影響.圖8所示是選擇不同電極電壓，對(duì)應(yīng)陰極和門(mén)極之間電勢(shì)沿X軸方向的分布變化曲線(xiàn).CNT陰極表面和門(mén)極之間的電場(chǎng)作用是實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射，當(dāng)陰極和門(mén)極電壓恒定時(shí)，陰極電子發(fā)射受到的影響很小;而陽(yáng)極和門(mén)極之間的電勢(shì)差主要影響陰極場(chǎng)發(fā)射電子從門(mén)極的引出效率——電子透過(guò)率(穿過(guò)門(mén)極柵網(wǎng)進(jìn)入陽(yáng)極電離區(qū)域的電子流占陰極發(fā)射總電流的比例).數(shù)值模擬中，在陰極表面設(shè)置2000個(gè)電子，統(tǒng)計(jì)能夠穿過(guò)門(mén)極柵網(wǎng)的電子數(shù)，計(jì)算透過(guò)門(mén)極電子數(shù)與陰極發(fā)射總電子數(shù)比值，即電子透過(guò)率.模擬結(jié)果如圖9所示，三組不同門(mén)極電壓下，電子透過(guò)率隨陽(yáng)極電壓改變顯示出相同的變化趨勢(shì)，即隨著陽(yáng)極電壓和門(mén)極電壓比值(Vgrid/Vgate)的升高，電子透過(guò)率會(huì)逐漸增大，因而陽(yáng)極電壓的升高，會(huì)獲得較高的陽(yáng)極電流，使得更高比例的陰極發(fā)射電子參與氣體分子電離.

圖8 門(mén)極表面沿X軸線(xiàn)方向電勢(shì)變化曲線(xiàn)

然而實(shí)際中，進(jìn)入陽(yáng)極電離區(qū)域參與氣體電離的電子并不能全部被陽(yáng)極收集，部分電子會(huì)被其他電極接收而形成逃逸電子，此部分逃逸電子占透過(guò)門(mén)極的總電子數(shù)的比例定義為電子逃逸率.電子逃逸一方面縮短了電子有效運(yùn)動(dòng)路徑，使靈敏度降低;另一方面，電子逃逸率的波動(dòng)會(huì)造成靈敏度穩(wěn)定性變差.電子逃逸率的計(jì)算方法類(lèi)似于電子透過(guò)率，即統(tǒng)計(jì)逃逸入真空環(huán)境中的電子數(shù)，并計(jì)算其與透過(guò)門(mén)極總電子數(shù)的比值.計(jì)算結(jié)果如圖10所示，電子逃逸率會(huì)隨著陽(yáng)極電壓的升高而升高.因此，在綜合考慮陰極發(fā)射電子在門(mén)極處電子透過(guò)率和規(guī)管中電子逃逸率的條件下，模擬真實(shí)可測(cè)的陽(yáng)極電流和發(fā)射電流比值(Igrid/Ie)變化如圖11所示，此模擬結(jié)果能夠很好地說(shuō)明已報(bào)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4,8,14].由此也可見(jiàn)，數(shù)值模擬中若考慮了電子逃逸率，使得模擬結(jié)果能夠與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加一致.

圖9 門(mén)柵電子透過(guò)率隨Vgrid/Vgate變化曲線(xiàn)

圖10 規(guī)管中電子逃逸率隨陽(yáng)極電壓變化曲線(xiàn)

圖11 Igrid/Ie比值隨陽(yáng)極電壓變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

本文利用SIMION 8.0建立了CNT陰極電離規(guī)的物理模型，分析研究了電極電壓對(duì)靈敏度和陽(yáng)極電流的影響.由于CNT陰極需要較高引出電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電子場(chǎng)發(fā)射，所以CNT陰極電離規(guī)需要較高的電極電壓.結(jié)果表明，當(dāng)陽(yáng)極電壓升高時(shí)，Igrid/Ie比值隨之增大，但是，對(duì)應(yīng)的電離規(guī)靈敏度會(huì)隨著陽(yáng)極電壓升高而降低.因此，在理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究中，綜合考慮電極電壓對(duì)靈敏度和陽(yáng)極電流的影響，對(duì)于提高CNT陰極電離規(guī)的綜合性能非常重要.該模擬計(jì)算結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)資料已報(bào)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的符合性，說(shuō)明計(jì)算模型和參數(shù)設(shè)置合理，計(jì)算結(jié)果正確可靠，為實(shí)驗(yàn)研究提供了重要的理論依據(jù)，對(duì)基于分離規(guī)結(jié)構(gòu)的CNT陰極電離規(guī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義，也是對(duì)國(guó)內(nèi)外普遍采用的實(shí)驗(yàn)研究方法[4-14]的一個(gè)必要理論補(bǔ)充和驗(yàn)證，推進(jìn)了對(duì)CNT陰極電離規(guī)原理特性的理論探索.

此外，通過(guò)分析本文所采用的電極電壓對(duì)CNT陰極電離規(guī)性能影響的數(shù)值模擬思路可知，該方法將可推廣應(yīng)用于新型CNT陰極極高真空電離規(guī)的研發(fā)和理論分析中，為解決極高真空測(cè)量難題提供了有效的研究途徑，具有重要的理論意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值.

[1]St.Wilfert，Chr.Edelmann 2012 Vacuum 86 556

[2]Cai M，Li D T，Cheng Y J，Chang P 2011 J.Vac.Sci.Technol 31 732(in Chinese)[蔡敏，李得天，成永軍，常鵬2011真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)31 732]

[3]Li D T，Cheng Y J，F(xiàn)eng Y，Cai M 2012 Shanghai Measurement and Testing 39 2(in Chinese)[李得天，成永軍，馮焱，蔡敏2012上海計(jì)量測(cè)試39 2]

[4]Dong C K，Myneni G R 2004 Appl.Phys.Lett.84 5443

[5]Dong C K 2003 Ph.D.Dissertation(Virginia：Old Dominion University)

[6]Sheng L M，Liu P，Wei Y，Liu L，Qi J，F(xiàn)an S S 2005 Diam.&Rela.Mater.14 1695

[7]In-Mook Choi，Sam-Yong Woo 2005 Appl.Phys.Lett.87 173104

[8]Huang J X，Chen J，Deng S Z，Xu N S 2007 J.Vac.Sci.Technol.B 25 651

[9]Alexanderov S Y，Arkhipov A V，Mishin M V，Sominski G G 2007 Surf Interf Anal.39 146

[10]Xiao L，Qian L，Wei Y，Liu L，F(xiàn)an S S 2008 J.Vac.Sci.Technol.A 26 1

[11]Hirofumi-Suto，Shunjiro Fujii，Kumiko Yoshihara，Kazuhiro Ishida，Yuya Tanaka，Shin-ichi Honda，Mitsuhiro Katayama 2008 Jpn J.Appl Phys.47 2032

[12]Knapp W，Scheleussner D，W¨uest M 2008 J.Phys.：Conf Ser.100 092007

[13]Yang Y C，Qian L，Tang J，Liu L，F(xiàn)an S S 2008 Appl.Phys.Lett.92 153105

[14]LiuH R，Hitoshi Nakahara，SashiroUemura，YachachiSaito 2009Vaccum 84 713

[15]Dahl D A，SMION 3D Version 8.0.Idaho National Laboratory，P.O.Box 1625，Idaho Falls，ID 83415 2008

[16]Lotz W 1967 Astrophys.J.Suppl.14 207

[17]Tate J T，Smith P T 1932 Phys.Rev.39 270

[18]Yuan X S，Zhang Y，Sun L M，Li X Y，Deng S Z，Xu N S，Yan Y 2012 Acta Phys.Sin.61 21610 1(in Chinese)[袁學(xué)松，張宇，孫利民，黎曉云，鄧少芝，許寧生，鄢揚(yáng)2012物理學(xué)報(bào)61 216101]