今回は、PIC-PLASMA 3D（プラズマ解析ソフト）または、PIC-ELECTRON 3D（電子軌道解析ソフト）で電子銃内の電子軌道解析をしてみます。
電子銃は、電子を発生させて、加速し、細くそろえて飛ばす装置です。
真空中で電子ビームを作るために使われ、電子顕微鏡、CRT、X線管、一部の加速器などで利用されます。
電子銃内の電子
図１：電子銃における電子軌道の概念図
電子の放出
一般的な電子銃では、陰極（カソード）から電子が放出されます。
電子の放出には次の３通りの方法があります。
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熱電子放出
フィラメントや陰極を加熱して、電子を飛び出させる方法 -
電界放出
非常に強い電場で電子を引き抜く方法 -
光電子放出
光を当てて電子を放出させる方法
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電子銃では、上記のうち熱電子放出 がよく用いられます。
電子の引き出しと加速
- 陰極から電子を出す
- 陽極方向へ引っ張る
- 加速させる
上記の過程を経て電子ビームが形成されます。 なお、電子が得られるエネルギーは、下記から算出できます。 電位差を V [V] とすると、電子が得る運動エネルギーはおおよそ
で表せます。
今回は、電子銃における電子の引き出し過程と電子ビーム生成をPIC-ELECTRON 3Dで可視化してみます。
電子銃解析
PIC-ELECTRON 3Dを用いて電子銃内の電子を解析してみましょう。
解析モデルは下記の通り。
解析モデル
図２：電子銃の解析モデル
上記のような電子銃の解析モデルを作成し、電子の引き出しと、電子ビームの生成過程をシミュレーションしてみます。 なお、電子銃における各部品の役割は下記の通り。
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- Mount Flange
装置全体を真空チャンバーや外部機構に固定する部分です。位置決め、支持、接地の役割を持つことが多いです。電子銃本体を安定して取り付ける土台になります。 - Grid Electrode
カソード近傍で電子の引き出し量を調整する電極です。電子を出すか出さないか、どの程度流すかを制御する役目があります。いわば電子ビームの“ゲート”に近い部品です。 - Focus Electrode
放出された電子が広がりすぎないように、電界でビーム形状を整える部品です。電子を細くまとめたり、発散を抑えたりして、後段で扱いやすいビームにします。 - Ceramic Spacer
電極同士を電気的に絶縁しながら、機械的な位置関係を保つ部品です。高電圧がかかる部位では特に重要で、短絡防止と精密な電極配置の両方を担います。 - Anode
電子を加速して前方へ引き出す電極です。ビームに運動エネルギーを与え、下流側へ飛ばします。電子銃の加速部として中心的な役割を持ちます。
- Mount Flange
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解析条件
解析条件は以下の通りです。
| 解析ソフト | PIC-PLASMA 3D or PIC-ELECTRON 3D |
| 解析タイプ | 電子軌道解析 |
| 解析オブジェクト | plasma_gun.obj |
|---|---|
| 電圧 | Cathode：-3000[V] GridElectrode：2950[V] FocusElectrode：2000[V] その他：0[V] |
| 比誘電率（誘電体） | CeramicSpacer：9.5 |
| 1nsあたりの生成電子数 | 10000個 |
| 生成電子の速度 | 1.0× 104[m/s] |
| 時間刻み幅 | 1.0×10-11[s] |
| 総シミュレーション時間 | 2.0×10-8[s] |
図３：PIC-ELECTRON 3Dにおける解析条件の設定
解析結果
図４：電子銃における電子軌道解析
上記資料は、実際にPIC-ELECTRON 3Dで計算した実際の解析結果です。
図４は、電子銃における電子の引き出しと加速電圧による電子ビームの生成過程をシミュレーションしています。
なお、今回用いたcadモデルは簡易的に作成したものであるため、電極電圧やその他の条件設定は簡略化しています。
また、PIC-ELECTRON 3Dでは、上記の計算結果に加えて、さまざまなデータを出力することができます。
- 電子密度
- 電流密度ベクトル
- 電場ベクトル
- 速度ベクトル
※上記は一例です。 電子を用いた製品開発にPIC-ELECTRON 3Dを是非ご活用ください。