本次我们将使用PIC-PLASMA 3D（等离子体分析软件）或 PIC-ELECTRON 3D（电子轨迹），对电子枪内部的电子轨迹进行分析。
电子枪是一种产生电子、加速电子，并将其整形成细束发射出去的装置。
它用于在真空中形成电子束，并应用于电子显微镜、CRT、X射线管以及部分加速器中。
电子枪内的电子
图1：电子枪中电子轨迹的概念图
电子发射
在一般的电子枪中，电子由阴极（Cathode）发射出来。
电子发射主要有以下三种方式。
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热电子发射
通过加热灯丝或阴极，使电子逸出的方式 -
场发射
利用非常强的电场将电子拉出的方式 -
光电子发射
通过照射光使电子释放出来的方式
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在电子枪中，上述方式中热电子发射最为常用。
电子的引出与加速
- 从阴极释放电子
- 将其拉向阳极方向
- 对其进行加速
电子束就是通过上述过程形成的。电子获得的能量可由下式计算。若电位差为 V [V]，则电子获得的动能大致为
可表示为上述形式。
本次我们将使用 PIC-ELECTRON 3D，对电子枪中的电子引出过程与电子束生成过程进行可视化。
电子枪分析
让我们使用 PIC-ELECTRON 3D 来分析电子枪内部的电子。
分析模型如下所示。
分析模型
图2：电子枪的分析模型
我们将建立如上所示的电子枪分析模型，并模拟电子的引出以及电子束的生成过程。电子枪中各部件的作用如下。
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- Mount Flange
用于将整个装置固定到真空腔体或外部机构上的部件。通常承担定位、支撑和接地等作用，是稳定安装电子枪本体的基础部件。 - Grid Electrode
用于在阴极附近调节电子引出量的电极。它负责控制电子是否发射以及发射多少，可以看作是电子束的“门控”部件。 - Focus Electrode
用于通过电场整形电子束，防止已发射的电子过度扩散。它可使电子束变细并抑制发散，从而便于后续处理。 - Ceramic Spacer
在保持电极机械位置关系的同时，对电极之间进行电气绝缘的部件。在高电压区域尤为重要，既能防止短路，又能保证电极的精确配置。 - Anode
用于加速电子并将其向前引出的电极。它赋予电子束动能并将其送往下游，是电子枪加速部分的核心部件。
- Mount Flange
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分析条件
分析条件如下。
| 分析软件 | PIC-PLASMA 3D or PIC-ELECTRON 3D |
| 分析类型 | 电子轨迹分析 |
| 分析对象 | plasma_gun.obj |
|---|---|
| 电压 | Cathode：-3000[V] GridElectrode：2950[V] FocusElectrode：2000[V] 其他：0[V] |
| 相对介电常数（介电体） | CeramicSpacer：9.5 |
| 每1ns生成的电子数 | 10000个 |
| 生成电子的速度 | 1.0× 104[m/s] |
| 时间步长 | 1.0×10-11[s] |
| 总模拟时间 | 2.0×10-8[s] |
图3：PIC-ELECTRON 3D中的分析条件设置
分析结果
图4：电子枪中的电子轨迹分析
以上资料为使用 PIC-ELECTRON 3D 实际计算得到的分析结果。
图4模拟了电子枪中电子的引出过程，以及在加速电压作用下电子束的生成过程。
另外，本次使用的 CAD 模型是简化制作的，因此电极电压及其他条件设置也进行了简化。
此外，PIC-ELECTRON 3D 除了上述计算结果外，还可以输出各种数据。
- 电子密度
- 电流密度矢量
- 电场矢量
- 速度矢量
※以上仅为一例。欢迎在使用电子相关产品进行开发时，充分 활용 PIC-ELECTRON 3D。