為了提升碳納米管(CNT)陰極電離規的綜合性能和實用性，本文利用離子光學模擬軟件SIMION3D8.0和CAD建模軟件構建了CNT陰極電離規的物理模型，且通過模擬計算得到不同電極結構參數對CNT陰極電離規各種性能的影響規律。研究結果表明，不同的陰極基座直徑、門極尺寸產生不同的電子運動軌跡；電子運動路徑隨著外屏與陽極柵網之間距離的增大先增大后減小；電子逃逸率隨著門極和陽極頂部間距的減小而逐漸增大；聚焦孔直徑對正離子的收集影響顯著，且氣相離子/電子激勵脫附離子收集比率在收集孔直徑約為2mm 時達到最大。故選用合適的電極結構參數能有效地提高CNT陰極電離規的總體性能，延伸其真空測量下限。

　　超高/極高真空測量在空間探測、高能物理、熱核聚變、表面科學和納米技術等尖端技術領域都具有廣泛的應用需求。而傳統的金屬單尖型電離規、金屬陣列陰極、場發射陣列等已限制了超高/極高真空測量。真空技術網(http://shengya888.com/)認為碳納米管(CNT)陰極電離規以其場發射能耗低、發射電流大等優點有望解決超高/極高真空測量難題，得到了國內外的廣泛關注。

　　目前國內外研制的CNT陰極電離規多處于實驗研究階段，尚未實現商業推廣應用，其中一個尚需拓展的關鍵因素就是CNT陰極材料和電離規規管結構的匹配結合問題。因此，開展CNT陰極電離規結構的模擬優化設計將有助于這一問題的解決。國內外許多學者對不同類型電離規的電子運動軌跡、靈敏度、電子激勵脫附(electrons stimulated desorption，ESD)效應、軟X射線效應等進行了模擬和仿真計算，以優化其電極結構和電壓條件。董長昆等使用SIMION2D軟件模擬了分離規和軌道式電離規的電子運動軌跡，D.Nicolaescu根據V.Filip的理論推導模擬了幾種不同規管結構的電子軌跡。但對于冷陰極電離規，無法通過一個已知且精確的數學模型計算其相關參數，Lidija Irmancnik Belic等利用神經網絡建模，對冷陰極電離規(CCG)相關參數進行了模擬計算，模型誤差最大達到24.95%。本文基于規管中的電場電勢分布，利用離子光學軟件SIMION3D8.0和CAD建模軟件構建CNT陰極電離規的物理模型，并進行網格劃分，通過數值模擬分析了電極結構參數對CNT陰極電離規的綜合性能的影響。

1、電離規數值模擬

　　1.1、電子瞬時運動狀態分析

　　CNT陰極電離規為軸對稱結構，其電極結構主要包括CNT陰極、門極、陽極、外屏、反射極和收集極，其物理模型如圖1所示。

圖1 CNT陰極電離規的物理模型

　　電子在CNT 陰極電離規規管中所經過的任意位置(x，y，z)處的電場分布(Ex，Ey，Ez)、電勢分布(U)、速度分布(vx，vy，vz)、電子能量K 等參量表征了電子瞬時運動狀態。利用Simion離子光學軟件和自編程序可以選擇性模擬分析CNT陰極電離規的電子透過率(穿過門極柵網進入陽極電離區域的電子流占陰極發射總電流的比例)、電子逃逸率(參與電離而未被陽極接收的逃逸電子占透過門極的總電子數的比例定義為電子逃逸率)、氣相離子收集率、ESD離子收集率等參數性能。

　　1.2、模擬方法和步驟

　　通過設置不同的電極參數，模擬計算不同參數下對應的CNT陰極電離規的各種性能的變化，分析研究規結構參數和CNT陰極電離規綜合性能的相互關系，據此對電離規進行修正優化。具體的模型仿真步驟如下：①建立物理模型，初步選定參數；②進行網格劃分；③求解不同參數下的電子瞬時運動狀態；④修正和優化模型結構參數。

3、結論

　　利用離子光學模擬軟件SIMION3D8.0 和CAD建模軟件構建了CNT 陰極電離規的物理模型，并對其結構進行了數值模擬分析。結果表明，不同的陰極基座直徑、門極尺寸產生不同的電子運動軌跡；隨著外屏與陽極柵網之間距離的增大，電子運動路徑會先增大后減小；隨著門極和陽極頂部間距的減小，電子逃逸率會逐漸增大；聚焦孔直徑對正離子的收集有顯著影響，當收集孔直徑約為2mm時，氣相離子/ESD離子收集比率會達到最大。顯然，根據門極結構參數和CNT 陰極電離規的整體性能之間的變化規律，選取合適的陰極基座直徑、門極尺寸、門極和陽極頂部間距、外屏蔽直徑和聚焦孔直徑等電極結構參數，就能夠有效地提升CNT 陰極電離規的整體性能，從而進一步解決CNT陰極材料和電離規規管結構的匹配結合問題，延伸其真空測量下限。