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冷阴极离子源是目前被广泛应用的离子源之一。离子源的性能对各类质谱仪分辨率等性能有重要的影响。通过对小型化冷阴极离子源性能的影响因素进行仿真分析，优化其结构，有助于提高小型化冷阴极离子源的性能。本文通过理论分析和多物理场有限元软件COMSOLMultiphysics5.3对一种小型化冷阴极离子源进行仿真计算及参数优化。主要内容如下：
(1)基于带电粒子弹性碰撞理论和膜孔静电透镜理论，并结合有限元仿真软件建立小型化离子源的仿真理论基础。
(2)建立小型化离子源中的电子源及电离区仿真模型。在电子源的仿真计算过程中，计算了电子源模型内的电场分布和电子运动轨迹。分析了电子源中透镜电压、透镜间距、厚度、阴极发射面大小等参数对电子通过率及能量的影响，并优化了电子源中的结构参数和电学参数。在离化区的仿真研究中，分析了电子在离化区内的运动轨迹，通过2D模型分析了中性气体压强及种类对碰撞几率的影响。
(3)建立小型化离子源离子加速区的2D及3D仿真模型。在2D模型的仿真计算中，分析了模型内电场分布及离子运动轨迹的特点。仿真分析了2D模型内的透镜电压、厚度及间距对离子输运的影响，依据仿真计算结果构建了等径透镜和变径透镜两种形式的离子加速区3D仿真模型。
在3D模型的仿真计算中，分析了离子加速区内透镜电压、厚度、间距等参数对离子通过率及能量的影响，并依据仿真结果对参数进行了优化。依据二分法对离子加速区进行仿真计算，分析了加速区内膜孔透镜的排布方式及电压对离子束发散角及能量的影响，并得到了较好的仿真结果：当A部分透镜片数为17片、V1为500V时离子出射能量为498eV、离子束发散角为3.5°、离子束半径为0.76mm。
本文的研究方法为小型化离子源的生产设计提供理论及技术的支持，仿真研究结果可供小型化离子源的参数选定和结构优化提供一定的参考。
(1)基于带电粒子弹性碰撞理论和膜孔静电透镜理论，并结合有限元仿真软件建立小型化离子源的仿真理论基础。
(2)建立小型化离子源中的电子源及电离区仿真模型。在电子源的仿真计算过程中，计算了电子源模型内的电场分布和电子运动轨迹。分析了电子源中透镜电压、透镜间距、厚度、阴极发射面大小等参数对电子通过率及能量的影响，并优化了电子源中的结构参数和电学参数。在离化区的仿真研究中，分析了电子在离化区内的运动轨迹，通过2D模型分析了中性气体压强及种类对碰撞几率的影响。
(3)建立小型化离子源离子加速区的2D及3D仿真模型。在2D模型的仿真计算中，分析了模型内电场分布及离子运动轨迹的特点。仿真分析了2D模型内的透镜电压、厚度及间距对离子输运的影响，依据仿真计算结果构建了等径透镜和变径透镜两种形式的离子加速区3D仿真模型。
在3D模型的仿真计算中，分析了离子加速区内透镜电压、厚度、间距等参数对离子通过率及能量的影响，并依据仿真结果对参数进行了优化。依据二分法对离子加速区进行仿真计算，分析了加速区内膜孔透镜的排布方式及电压对离子束发散角及能量的影响，并得到了较好的仿真结果：当A部分透镜片数为17片、V1为500V时离子出射能量为498eV、离子束发散角为3.5°、离子束半径为0.76mm。
本文的研究方法为小型化离子源的生产设计提供理论及技术的支持，仿真研究结果可供小型化离子源的参数选定和结构优化提供一定的参考。