能量分析器是空间粒子探测中被广泛使用的一种仪器。能量分析器探测粒子能量一般是利用静电场对离子的筛选来实现。通过仿真研究能量分析器的工作原理和讨论分析器工作过程的影响因素,进一步优化其结构,提高工作性能。本文结合理论分析和多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics5.3的使用,对一种小偏角粒子能量分析器进行了仿真计算以及结构优化。主要工作内容包括:(1)基于静电场中离子运动理论和低能离子运动碰撞理论,建立小偏角粒子能量分析器仿真的理论基础。(2)建立小偏角粒子能量分析器准直区和离化区三维仿真模型。在准直区仿真过程中,分析了准直区过滤电极板长度和宽度变化对电场分布的影响,分析了压强、电压、电极板长度和宽度、电极板距离入口位置以及空间电荷粒子种类对过滤电极过滤效果的影响。在离化区仿真过程中,计算了离化区内部电场分布特点以及电场对中性粒子电离后的离子运行轨迹的影响,计算了电子和中性粒子的碰撞过程。(3)建立小偏角粒子能量分析器偏离区二维和三维仿真模型。在二维模型仿真中,仿真计算了模型的电场分布和离子运动轨迹;计算二维模型的能谱图,根据能谱图计算了分析器能量分辨率和板因子。在三维模型仿真中,计算了三维模型下的电场分布和离子通过率。同时,对微通道板(MCP)的电压进行了优化,结果表明MCP电压为-100V时效果较好;优化偏离区的结构参数,并把三维仿真优化前后以及二维仿真的能谱图进行比较,结果表明优化后的三维仿真模型具有较高的离子通过率以及更好的能量分辨率。在优化后三维仿真模型尺寸下,对离子入射的角度以及温度和压强等参数进行了仿真分析,结果表明:分析器只在一个方向上具有角度分辨;模型中气体压力小于0.01Pa时可以忽略偏离区内残余中性气体的影响,温度的变化会影响到离子的通过率但对能量分辨率没有影响。本文的研究方法为该类型小偏角粒子能量分析器的设计制造提供了理论和仿真技术上的支撑,计算结果为小偏角粒子能量分析器的结构参数选定和优化提供了重要的参考依据。