분석 사례

전자총에서의 전자 추출 및 전자빔 분석

이번에는 PIC-PLASMA 3D(플라즈마 해석 소프트웨어) 또는 PIC-ELECTRON 3D(전자 궤적) 를 사용하여 전자총 내부의 전자 궤도를 해석해 보겠습니다.

전자총은 전자를 발생시키고, 가속시키며, 가늘게 정렬해 발사하는 장치입니다.

진공 중에서 전자빔을 만들기 위해 사용되며, 전자현미경, CRT, X선관, 일부 가속기 등에 활용됩니다.

전자총 내부의 전자

그림 1: 전자총에서의 전자 궤도 개념도

전자 방출

일반적인 전자총에서는 음극(캐소드)에서 전자가 방출됩니다.

전자 방출에는 다음과 같은 세 가지 방법이 있습니다.

      • 열전자 방출
        필라멘트나 음극을 가열하여 전자를 튀어나오게 하는 방법

      • 전계 방출
        매우 강한 전기장으로 전자를 끌어내는 방법

      • 광전자 방출
        빛을 비추어 전자를 방출시키는 방법

전자총에서는 위 방법 중 열전자 방출이 자주 사용됩니다.

전자 인출과 가속

  1. 음극에서 전자를 방출한다
  2. 양극 방향으로 끌어당긴다
  3. 가속시킨다

위 과정을 거쳐 전자빔이 형성됩니다. 또한 전자가 얻는 에너지는 아래와 같이 계산할 수 있습니다. 전위차를 V [V]라고 하면, 전자가 얻는 운동에너지는 대략

로 나타낼 수 있습니다.

이번에는 PIC-ELECTRON 3D를 사용하여 전자총에서의 전자 인출 과정과 전자빔 생성 과정을 시각화해 보겠습니다.

전자총 해석

PIC-ELECTRON 3D를 이용해 전자총 내부의 전자를 해석해 보겠습니다.

해석 모델은 아래와 같습니다.

해석 모델

그림 2: 전자총의 해석 모델

위와 같은 전자총 해석 모델을 작성하고, 전자 인출과 전자빔 생성 과정을 시뮬레이션해 봅니다. 또한 전자총의 각 부품 역할은 다음과 같습니다.

        • Mount Flange
          장치 전체를 진공 챔버나 외부 기구에 고정하는 부분입니다. 위치 결정, 지지, 접지 역할을 하는 경우가 많으며, 전자총 본체를 안정적으로 장착하는 기반이 됩니다.
        • Grid Electrode
          캐소드 근처에서 전자 인출량을 조절하는 전극입니다. 전자를 방출할지, 얼마나 흐르게 할지를 제어하는 역할을 하며, 전자빔의 “게이트”에 가까운 부품입니다.
        • Focus Electrode
          방출된 전자가 지나치게 퍼지지 않도록 전기장으로 빔 형상을 정리하는 부품입니다. 전자를 가늘게 모으고 발산을 억제하여 후단에서 다루기 쉬운 빔으로 만듭니다.
        • Ceramic Spacer
          전극들 사이를 전기적으로 절연하면서 기계적인 위치 관계를 유지하는 부품입니다. 고전압이 걸리는 부위에서 특히 중요하며, 단락 방지와 정밀한 전극 배치를 동시에 담당합니다.
        • Anode
          전자를 가속하여 전방으로 끌어내는 전극입니다. 빔에 운동에너지를 부여하고 하류 방향으로 보내며, 전자총의 가속부에서 중심적인 역할을 합니다.

해석 조건

해석 조건은 아래와 같습니다.

해석 소프트웨어 PIC-PLASMA 3D or PIC-ELECTRON 3D
해석 유형 전자 궤도 해석
해석 객체 plasma_gun.obj
전압 Cathode：-3000[V] GridElectrode：2950[V] FocusElectrode：2000[V] 기타：0[V]
비유전율(유전체) CeramicSpacer：9.5
1ns당 생성 전자 수 10000개
생성 전자의 속도 1.0× 104[m/s]
시간 간격 1.0×10-11[s]
총 시뮬레이션 시간 2.0×10-8[s]
이러한 초기 조건은 소프트웨어(PIC-ELECTRON 3D) 내부에서 설정할 수 있습니다.
아래 그림은 PIC-ELECTRON 3D에서 이번 해석 조건을 입력한 화면입니다.

그림 3: PIC-ELECTRON 3D에서의 해석 조건 설정

해석 결과

그림 4: 전자총에서의 전자 궤도 해석

위 자료는 실제로 PIC-ELECTRON 3D에서 계산한 실제 해석 결과입니다.

그림 4는 전자총에서 전자가 인출되고, 가속 전압에 의해 전자빔이 생성되는 과정을 시뮬레이션한 것입니다.

참고로 이번에 사용한 CAD 모델은 간단하게 제작된 것이므로, 전극 전압 및 기타 조건 설정도 단순화되어 있습니다.

또한 PIC-ELECTRON 3D에서는 위 계산 결과 외에도 다양한 데이터를 출력할 수 있습니다.

  • 전자 밀도
  • 전류 밀도 벡터
  • 전기장 벡터
  • 속도 벡터

※위 내용은 하나의 예시입니다. 전자를 활용한 제품 개발에 PIC-ELECTRON 3D를 꼭 활용해 보세요.

본 소프트웨어의 이용은 여기에서

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