利用SIMION软件对8SJ31J型电子枪聚焦性质的探究-复旦大学物理.PDF

利用SIMION 软件对8SJ31J 型电子枪聚焦性质的探究 胡李鹏 06300190059 （复旦大学物理系，上海 200433 ） 摘要： 利用SIMION 软件对8SJ31J 型电子枪的成像过程进行了模拟，讨论分析了电子枪的第一阳极 和第二阳极电压对电子枪成像的影响。 关键词：电子光学 SIMION 软件 电子枪聚焦 1. 引言 电子枪 指的是用来产生具有一定电流密度、 一定形状电子束的电子光学系统。电子枪包括阴极 K、加热阴极用的热丝H 、调制极M(又称为控制 栅极) 、第一阳极A1 (又称为加速极) 、第二阳极 A2 (又称为聚焦极) 【1】。灯丝通电后加热阴极 K， 使阴极K 发射电子。控制栅极G 的电位比阴极低， 对阴极发出的电子起排斥作用，只有初速度较大的 电子才能穿过栅极的小孔并射向荧光屏，而初速度 较小的电子则被电场排斥回阴极。阳极电位比阴极 电位高很多，对电子起加速作用，使电子获得足够 的能量射向荧光屏，从而激发荧光屏上的荧光物质 发光。通过调节栅极 M 的电位可以控制射向荧光 屏的电子流密度，从而改变荧光屏上的光斑亮度。 通过改变第一阳极A1 和第二阳极A2 的电压，可 以调节电子束聚焦的位置，从而使电子束聚焦在荧 图1 8SJ31J 型电子枪 光屏上。 SIMION 静电透镜分析模拟软件，利用有限差分方法，在给定电极电压及带电粒子初始 条件的情况下，能够计算静电场的分布及场中带电粒子的运动轨迹。在精度1 mm3 下SIMION 最大可以模拟8 km3 的体积。 本实验，通过实际测量8SJ31J 型电子枪的电极参数，利用SIMION 模拟电子在电子枪中 的运动以及第一阳极和第二阳极电压对电子束聚焦的影响。 2. 实验原理 如图2 所示，加速电场穿过栅极的圆孔到达阴极的表面，使阴极表面不同点发出的电子， 向阳极方向运动是，在栅极小圆孔后方汇聚，形成一个电子射线的交叉点F1 （第一聚焦点）。 有第一阳极和第二阳极组成的电聚焦系统把F1 成像在荧光屏上，得到直径足够小的光点F2 （第二聚焦阳极）。【2】 图2a 为交叉点F1 理论图形，图2b 为模拟所得到的图形 8SJ31J 型电子枪中的加速极 M，第一阳极A1 以及第二阳极A2 组成的静电透镜系统， 两边为发散透镜，中间为会聚透镜。由于第一阳极系统很长，电子在其中运动的时间很长， 所以静电透镜系统最终使交叉点F1 聚焦在荧光屏上。 图3 电子透镜的聚焦过程 3. 实验 3.1 测量电子枪各电极的尺寸及工作时的电压 实验中我们采用的是ST—16 型示波器，其中的电子枪正是8SJ31J 型。将一个新的电子 枪拆开，用游标卡尺和螺旋测微器测量各个电极的尺寸以及相互之间的距离，以这些参数在 SIMION 中构建所需要的系统。 测量后得到各电极的变化范围为： 阴极K/v 栅极M/v 第一阳极A1/v 第二阳极A2/v 电压范围 -1316~-1248 --1312~-1287 0~255 -1512~-833 3.2 在SIMION 中模拟 3.2.1 各电极的建立 因为SIMION 中最小的精度值为1mm，而电极的厚度和电极上圆孔的直径都小于1mm， 所以需要将测得的电极尺寸均放大10 倍。建立一个3000mm*700mm 的关于x 轴旋转对称 系统，画出各个电极，由于偏转电极对本实验没有影响，所以省略。直接在界面中画出各个 电极，操作很麻烦，也很容易出错，一般建议编写gem 格式的文件，不仅简单方便而且便 于以后修改。 3.2.2 电子初始条件的选择 电子枪发射电子是一个热电子发射过程，电子的初始方向随机的，电流大小满足理查森 公式。由于电子的初始动能约为0.1eV，远远小于加速过程中所获得的能量，基本上可以忽 略不计，实验中，电子的初始动能取为0.1eV ，方向为平行x 轴。栅极上的圆孔的半径约为 0.6mm，放大后为6mm，实验中电子分布的长度取为1mm。 3.3 结果及讨论 3.3.