金福姬

摘 要： 此次研究運用C#及ANSYS軟件，對場發(fā)射顯示器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對其進行仿真處理，形成更加便捷、優(yōu)質(zhì)的程序，在此次結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，還運用ANSYS參數(shù)化設計語言，將本程序過程進行參數(shù)化處理，完成建模、加載等環(huán)節(jié)，借助于C#完成對程序參數(shù)的可視化處理，為其后續(xù)處理提供基礎。研究結(jié)果表明，將C#及ANSYS參數(shù)化設計語言運用于場發(fā)射顯示器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化中，起到了良好的設計效果，在電場分布、電子發(fā)射及電流密度等方面，均實現(xiàn)了較大程度的改善。

關(guān)鍵詞： 場發(fā)射器；二次開發(fā)；優(yōu)化設計

前言：場發(fā)射顯示器屬于一種顯示裝置，通過對其工作原理進行分析，通過對陰極施加電場，使電子可以在隧道效應的作用下，達到真空狀態(tài)，隨后電場在保持加速狀態(tài)，并向陰極釋放轟擊力，由此使其產(chǎn)生熒光，在電路控制下能夠顯示多種圖像。在當前的顯示器市場中，場發(fā)射顯示器的應用程度愈加廣泛，而且可與等離子體、液晶類顯示器具有相近的市場地位，具有良好的發(fā)展前景。而在評價場發(fā)射顯示器的顯示效果時，電流密度是其重要的評價指標，以此在場發(fā)射顯示器的仿真設計中，應當將應激表面的電場強度、發(fā)散角及電流密度作為其主要參數(shù)。

在場發(fā)射顯示器結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，有限元法是一種應用程度較高且應用效果較好的方法，在該方法應用過程中，需要使用到ANSYS軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)對于場發(fā)射顯示器的結(jié)構(gòu)、流體及電磁場進行分析，在此過程中，主要包含前處理、加載、后處理等環(huán)節(jié)。將ANSYS引入到場發(fā)射的分析中，能夠更加準確、全面的了解到電場分布、電子發(fā)射等情況。在場發(fā)射過程中，存在諸多因素會對其造成影響，主要包含結(jié)構(gòu)參數(shù)和電壓，若單純使用ANSYS進行處理，可能會出現(xiàn)復雜的參數(shù)變化，難以得出準確的結(jié)果。因此應當將APDL引入到場發(fā)射顯示器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，將原本復雜、大量的工作，簡化為直觀、便捷的顯示界面。此外，C#由微軟公司開發(fā)以來，一直作為一種常用的編程語言，在與其它編程語言進行對比時，體現(xiàn)出較強的優(yōu)勢性，因此本研究將其結(jié)合至場發(fā)射顯示器的優(yōu)化中，大幅提升設計效率。

一、仿真條件和方法

此次研究的場發(fā)射模型選用為Spindt，該模型屬于三極式結(jié)構(gòu)，發(fā)射體尖端為球形，主要負責信號的發(fā)射，發(fā)射體下端為截圓錐，整體來看，該模型表現(xiàn)出較強的對稱性，其截面圖如下圖1所示。

在此次研究中，以下參數(shù)保持不變：球臺角度為60°，柵極厚度為0.03μm，陰極與陽極之間保持在1.2μm的范圍內(nèi)，陰陽極直徑確定為2.4μm。由于介質(zhì)層與椎尖二者的距離相對較長，對于發(fā)生過程造成的影響不足，因此忽略不計。在該設計過程中，通常需要對七個主要數(shù)據(jù)加以處理，其中包括柵極電壓、柵孔半徑、柵陰距離等，通常需要使用F-N方程對其發(fā)散角加以計算，在改過程中，需要經(jīng)過數(shù)百次的建模和計算，工作量較高。此次研究選用ANSYS法代替以往的計算方式，首先利用ANSYS基礎算法對其進行常規(guī)計算，隨后運用APDL配合計算，并將計算結(jié)果以log文本的形式予以表示，作為后續(xù)計算的數(shù)據(jù)基礎，利用模板log連續(xù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為log文件，由程序?qū)ζ溥M行讀取和顯示，與此同時，匯總數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)記錄就會相應的增加1條，但數(shù)據(jù)記錄達到一定標準時，就可以實現(xiàn)對于場發(fā)射顯示器的結(jié)構(gòu)優(yōu)。

二、計算結(jié)果

在使用C#進行編程后，需要填入多條參數(shù)，具體包括柵極電壓、柵孔半徑、柵陰距離等，ANSYS具有保護自己版權(quán)的作用，因此不具備可與其它程序進行連接的接口，輸入及輸出等操作都需要通過文本文件去處理。此外，此次研究還具有專門的設置文件，其主要作用在于存儲ANSYA數(shù)據(jù)及信息，明確其文件位置。在整個程序完成計算后，場發(fā)射顯示器的界面上會呈現(xiàn)出一個數(shù)值，也就是優(yōu)化標準值，其中包含陰極表面強度、電子束發(fā)射角以及電流強度等數(shù)據(jù)，與此同時，程序還會根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，及時的呈現(xiàn)出電子發(fā)射軌跡圖，通過該圖能夠明確發(fā)現(xiàn)電子束的發(fā)散角，每完成一次程序計算，就可以得出一組參數(shù)，作為場發(fā)射顯示器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化值，并匯總到數(shù)據(jù)文件中。

當陰極表面的電場強度達到一定程度時，會進行場發(fā)射，這個也是場發(fā)射顯示器的重要指標。椎尖半徑是形成尖端效應的最主要因素，同時也會對陰極表面強度產(chǎn)生較大程度的影響。因此，通過分析椎尖半徑和表面場強的變化，能夠發(fā)現(xiàn)二者之間存在反向關(guān)系，也就是在椎尖半徑增加的情況下，場強數(shù)值會出現(xiàn)相應的下降，發(fā)散角應當控制在相對合理的范圍內(nèi)，避免應該數(shù)值過高而降低場發(fā)射顯示器的清晰程度。

三、討論

陽極電壓以場發(fā)射顯示器的電場分布情況具有較為緊密的關(guān)聯(lián)，同時也與電子束的發(fā)散角具有密切關(guān)聯(lián)，對比陽極電壓與發(fā)散角的變化情況，在陽極電壓的數(shù)值不斷增大的情況下，其發(fā)散角會出現(xiàn)逐漸降低的趨勢。要確保場發(fā)射顯示器的顯示亮度能夠達到相應的標準，就需要不斷提高其場發(fā)射電流數(shù)值。椎尖半徑的數(shù)值，對于電場強度具有直接關(guān)聯(lián)的情況下，對于場發(fā)射表面積也會產(chǎn)生較為密切的影響，在椎尖半徑長度不斷增加的情況下，其電場強度會呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢。以F-N方程的計算原理可以得知，在電流密度相對較高的情況下，其場發(fā)射面積出現(xiàn)不斷降低的趨勢，對比椎尖半徑與電流強度二者之間的關(guān)系，并不具有較為明顯的相關(guān)性，將仿真系統(tǒng)引入到場發(fā)射顯示器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，能夠較為明確的辨別椎尖半徑對于電流強度的影響，在使用F-N方程對該關(guān)系進行分析的情況下發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)電流同椎尖半徑的變化，呈現(xiàn)出近視于指數(shù)的關(guān)系。

相較于常規(guī)模式下所采用的設計方法，將二次開發(fā)引入到場發(fā)射顯示器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化中，體現(xiàn)出較為顯著的便捷性，可以運用多種方式對程序中的參數(shù)進行觀察、計算及處理，而且在處理完成后，還能夠?qū)⒉煌M別的數(shù)據(jù)進行對比分析，進而從中選擇適用性更高的設計方案。在實踐優(yōu)化過程中，應當加強對于關(guān)鍵指標的控制與處理，尤其是在場強、發(fā)散角及強度數(shù)值較高的情況下，需要考察其優(yōu)化設計工藝的可行性。

結(jié)語：本文主要圍繞場發(fā)射顯示器進行探究，圍繞其結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行具體的分析，通過對C#和ANSYS等二次開發(fā)程序的引入，使建模、加載及處理等環(huán)節(jié)更加便捷化，而且提高了操作界面的可視性，即便在用戶不熟悉、不理解ANSYS系統(tǒng)的情況下，也能夠取得良好的設計效果。在經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，用戶僅需在場發(fā)射顯示器中輸入?yún)?shù)，就可以在完全自動的情況下完成電場參數(shù)計算，體現(xiàn)出ANSYS的便捷性和快速性，而且可以通過計算結(jié)果和軌跡圖的形式予以表示出來，產(chǎn)生一組兼具參數(shù)值和優(yōu)化值的信息。該系統(tǒng)還具有可重復操作的優(yōu)勢，通過多次計算后，能夠?qū)崿F(xiàn)對計算結(jié)果的多層次對比，起到優(yōu)化場發(fā)射顯示器結(jié)構(gòu)的目的?！?/p>

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