光电倍增管(PMT)作为当前中微子振荡研究的核心探测器件要求具有尽可能大的阴极有效探测面积与较小的渡越时间弥散,其时间特性直接决定了中微子的探测精度.针对高能粒子探测需求,本文优化设计了一种大阴极面超短型3-inch光电倍增管,基于Furman模型与电子轨迹追踪法展示了第一倍增极产生的二次电子向第二倍增极渡越的电子轨迹过程,据此对倍增极结构进行了局部优化;将Monte Carlo法与有限积分法相结合比较了不同分压下PMT内部电势分布对电子轨迹的影响并对优化后的大阴极面PMT的均匀性、收集效率、阴极至第一倍增极间渡越时间弥散(TTS CD1)等关键参数进行了统计与分析;利用particle-in-cell经典算法获得了此款PMT的增益特性.结果表明,优化后的大阴极面超短型PMT阴极有效探测面积较传统模型相比有效提升了30.87%,总长度仅103 mm,为目前最短的3-inch PMT设计结构;在1000 V阳极电压下,阴极顶点单光电子TTS_CD1为0.75 ns,较传统3-inchPMT模型相比提升了2.73倍,平均收集效率可达96.40%;当阳极电压为1100 V时,其增益可达10~6以上.