100 keV回旋电子束参数测量

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赵军平， ! 田进寿， ! 白永林， ! 刘百玉， ! 欧阳娴， ! 杨文正， ! 白晓红， ! 黄! 蕾
（ 中国科学院 西安光学与精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，西安 ,"+""# ）
! ! 摘! 要： ! 利用电子束轰击快响应荧光屏获得电子束横截面图像的方法， 对 "++ BC% 大回旋轨道空心电子 在横截面上的束轮廓及电荷密度分布进行了测量， 计算出回旋电子束半径、 螺旋角等参数， 并 束 （ :DEF 电子束） 与相同条件下的计算机数值模拟结果进行了对比和分析。测量结果表明初始磁场强度从 +( ++$ G 9 增加到 +H ++A * 9 时， 电子束的拉莫半径从 $( * II 增加到 $( # II， 螺旋角从 +( , 增加到 "( + ， 满足使用此电子束的回 旋行波放大器的调试需求。 ! ! 关键词： ! 回旋电子束； ! 回旋管； ! 电子束半径； ! 螺旋角； ! :786 射程 ! ! 中图分类号： ! 9)"*A! ! ! ! 文献标识码： ! 6
!" 实验装置
( ( 测量电子束参数的实验装置如图 $ 所示。实验中采用一 负高压脉冲作用在阴极上， 阳极接地， 加速电压从阴极引出的 电子经过阳极孔后， 随着磁场很快增加到均匀磁场 %" ， 其轨 迹也趋于稳定。为了测得实际参与互作用的电子束参数， 荧 光发光单元 （ 如图 % 所示） 位于高频互作用区中。系统各参 数的典型值如表 $ 所示。电子束引导磁场大小约 ") % *， 加速 电压 $"" +,， 脉宽 %"" -.。
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的色散曲线与高频系统的色散曲线达到最好的匹配， 获得最优化的注波互作用过程。因此， 在实验中固定引导 磁场大小及阴极电压， 改变阴极发射区的初始磁场大小， 获得不同纵向漂移速度的电子束， 相应电子束的螺旋 角及束半径也不同。实验测得不同初始磁场下的电子束横截面图像如图 ! 所示。图中中间的环形斑为电子束 横截面， 周围的亮斑为热阴极发出的红色光经波导系统的管壁反射后， 由荧光屏卡环周围的排气孔泄漏出来， 成像在 ""# 相机的感光面上。根据电子束横截面的图像， 空心电子束的轮廓基本上是一个圆环， 圆环宽度就 是电子束的厚度， 约 $% & ’’， 电子束电荷密度在方位角方向的分布基本是均匀的。
子的 KPH8 最大射程约为 %$ !;， 因此在本实验中采用 %" !; 的无氧铜铜箔， 透过铜箔的电子最大动能略大于 $" +/,。
6" 测量结果及模拟结果对比分析
( ( 本实验的目的是测量回旋行波放大器电子束运动的螺旋角， 以便根据实验结果调节电子束参数， 使电子束
第! 期
赵军平等：B$$ J/K 回旋电子束参数测量
! 第 "# 卷! 第 $ 期 ! *++, 年 $ 月
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文章编号： ! "++"?@$** （ *++, ） +$?+@A,?+@
!"" #$% 回旋电子束参数测量
［B］ + 刘盛纲% 相对论电子学 ［ ;］ % 北京：科学出版社， B&CD% （ E)A F =% G/731)H).1)0 /7/01,-2)0.% ?/)I)2*：F0)/20/ 9,/..， B&CD ）
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第 => 卷
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&% % % % # #% % % （’） $ ! (（ " & $ ） " +" & $ 则可以计算出电子的相对质量 "， 只要能从实 ( ( 根据单电子模型， 若已知电子枪的加速电压 *、 引导磁场 %" ，
验中测量得到电子拉莫半径的大小 +" ， 就可以根据 （’） 可计算出电子运动的螺旋角大小， 进一步就可以计算出 电子的纵向漂移速度 ’ , 等参数。
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G=1) $( H=:1-?.7=! .2.7/; ./76I 图 $( 测试系统结构
G=1) %( C>?.I>?0 .!=-7=AA:7?0 图 %( 荧光成像部分结构
( ( 为防止电子轰击衰减铜箔产生的 J 射线损坏 KKH 器件， 电子轰击荧光屏后产生的荧光经过与轴线成 #&L 角放置的平面镜反射后才由垂直于轴线放置的 KKH 相机接收。因为普通相机的快门速度比较慢， 而且电子束 到达的时刻与快门动作不易同步， 因此， 相机采用 M 门方式控制， 即实验前快门打开， 电子束与荧光屏作用发 光过程结束后关闭快门， 这样得到的是电子束横截面对时间的积分图像。为防止背景光影响测量结果， 实验在 密闭的暗室中进行， 光传播通道的管壁也使用粗糙处理形成漫反射以降低管壁反射光造成的影响。为了获得 快速的响应， 实验中采用的荧光屏基本参数如下： 响应时间小于 $ -.， 余辉时间约 #" -.， 荧光波长在 NO" 5 #N" -;， 入射发光电子能量为 ’ +/,， 荧光粉颗粒尺寸 $ !;， 具有很高的空间分辨能力。为了防止过高能量的电子 轰击损坏荧光屏， 紧贴荧光屏前插入一个吸收能量的铜箔， 使穿过铜箔的电子动能低于 $& +/,。电子在介质 中的连续慢化近似射程 （ KPH8 射程） 与其入射能量满足公式 - KPH8 !
()*% >+ ?/3’ @3,3’/1/,. 4,-’ ’/3.A,/’/21 326 .)’A731)-2 图 >+ 电子束参数测量结果与模拟结果
+ + 实验结果与数值模拟结果符合得比较好， 实验结果略大于模拟结果， 是由于系统几何轴线、 电子束中心与 磁场中心轴线不重合造成的。由于行波放大器工作的需要， 传输系统中存在孔径较小的区域， 电子束在经过这 些区域时， 传输半径较大的电子会损失在管壁上， 穿过的电子为回旋半径较小即螺旋角较小的电子， 因而造成 初始磁场较大时测量结果比模拟结果小。
［ "* ］ 电压约 "++ B%， 束流的导流系数约 "+ P ,( G 6 Q %"( G ， 可以近似使用单电子模型进行计算 。在本系统中， 环形阴
极发射面处有初始磁场 ! N ， 沿轴线逐渐过渡到轴向均匀的引导磁场 !+ ， 电子束经加速电压 " 加速后， 在传输系 统中形成绕轴线以拉莫半径 #+ 运动的空心电子束。若忽略电子的空间电荷效应以及电子回旋产生的轴向磁 各项参数满足以下运动 场对电子束自身产生的作用。在本系统中， 对于一个具有能量 $ R !%+ &* 的电子来说， 方程 #+ ’ ( " ) " N # ’ (" ) (* ( ’ ( +(
［ "?$ ］ 质的电子束是非常重要的因素 。对回旋行波放大器来说， 电子束的纵向漂移速度及其零散都直接影响放大 ［ "?@ ］ 器效率 。
! ! 大轨道轴向环绕电子枪 （ :DEF 电子枪） 可以提高回旋型射频设备的转换效率、 降低工作磁场及减少模式竞 争， 已成为当今电子光学领域研究的热点。 :DEF 电子枪在会聚型 0MC>NC 枪的结构中使用环状的阴极， 局部磁 场的磁力线设计成与束流的轨迹平行， 束流在会聚的时候就遇到了反转磁场， 设计合适的反转磁场形状， 可以 使会聚电子束的动量抵消束流通过反转磁场时引导中心的漂移， 大大减小束半径脉动。此类电子枪还具有速 度零散低、 速度比高、 导流系数大、 对尺寸偏差不敏感等优点， 并可以在不破坏聚焦的情况下， 通过改变电子枪
!" 结" 论
+ + 通过改变不同的初始磁场， 测量电子束在横截面上的轮廓、 平均半径， 进而计算出电子束的螺旋角及纵向 漂移速度， 试验结果与模拟结果符合得比较好。后续的行波管放大器实验也很好地验证了这一结论。同时， 实 验结果也显示电子枪设计中存在一些问题， 实验也为电子枪结构后续的改进提供了依据。如果采用快响应、 超 短余辉的荧光物质及高速相机， 可以获得时间分辨的电子束横截面分布图像， 从而获得更多更精细的关于回旋 电子束的各项参数。 参考文献：
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. 为粒子能量。在不同介质中， 不同能量的电子最大射程与其 KPH8 射程相差不大， 电子 式中： % 为介质密度；
［ $N ］ 在不通介质中的 KPH8 射程可查表获得 。在纯铜中， $"" +/, 的电子的 KPH8 射程约为 %& !;， 4" +/, 的电
()*% !+ ",-.. ./01)-2 )’3*)2* -4 5/3’ )2 6)44/,/21 )2)1)37 ’3*2/1)0 4)/76 图 !+ 不同初始磁场下的束横截面图像
+ + 经过对获得的电子束横截面图像的数字处理， 将图像的灰度值加权平均可以计算出电子束的平均半径 !$ ， 并根据 （8） 源自文库计算电子运动的螺旋角。同时， 根据实验条件及实体模型， 运用 9:" 软件 ;<=:" 建立数值模型 对电子枪及电子束传输系统进行模拟， 模拟结果与实验结果的对比如图 > 所示。图 > （ 3） 为测得电子束半径与 模拟结果的比较， 图> （ 5） 为根据实验结果计算的电子运动螺旋角与模拟结果的比较。
［ G?O ］ 阴极的初始磁场大小来调节束流的螺旋角 。
! ! 工作在弱相对论效应下的电子回旋装置， 电子束能量在数十 B% 到数百 B% 之间， 对于这种能量的电子束， 使用渡越辐射法、 轫致辐射法及直接轰击法等适用于高能电子的测量方法来测量电子束的半径及在横截面上
［ ,?A ］ ［ #］ 的分布等已经比较困难 ， 法拉第圆筒阵列法由于其空间分辨率太低 ， 对小尺寸的电子束测量容易造成较 ［ "+?"" ］ 大的误差， 使用电容探头的测量方法可以测得电子束的纵向漂移速度、 位置等参数 ， 但对于电子束的半径
! ! 近年来， 电子回旋型射频设备如回旋管 （ /J>&K>&L ） 、 回旋行波放大器 （ /J>&?926 ） 、 回旋返波振荡器 （ /J>&? ;21） 等射频装置在宽带、 大功率、 高效率毫米波、 亚毫米波波段的研究和应用获得了长足的发展。此类射频 装置的效率及带宽在很大程度上受回旋电子束的参数影响， 如果要获得更高的效率以及更大的工作带宽， 高品
及密度分布则无法测量。本文利用电子轰击荧光物质会产生荧光发射的特性， 通过测量电子束轰击荧光屏后 的发光位置及强度来测量这种大回旋轨道电子束在横截面上的分布， 通过获得的图像还可以计算电子束的平 均半径、 纵向漂移速度、 电子束螺旋角等参数。
!& 理论模型
! ! 本文所研究的 :DEF 电子枪产生的空心回旋电子束使用在回旋行波放大器系统中， 束流强度约 * 6， 加速
表 #" 实验参数的典型值 $%&’( #" )(*+,- .%/%0(1(/ 23/ 14( ./31315.(
/-/012 3 +/, !600/-7 3 8 9/:; 0:<=6. 3 ;; !:7>?</ ;:1-/7=! @=/A< 3 * 16=</ ;:1-/7=! @=/A< 3 * .2.7/; B:!66; 3 C:
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（#）
（&） （ $ & ’% # (% ） ! $ ) "* # $" (% " ! $# ! ’， ’! ， ’ , 分别为电子运动的速度、 横向速度和纵向速 式中： +" 为电子运动的拉莫半径； $ 为电子运动的螺旋角； %" 为纵向 度； ( 为真空中的光速； " 为电子电荷； $" 为电子静止质量； # 为电子的荷质比； " 为电子的相对质量； 均匀的电子束引导磁场； * 为电子枪的加速电压。据此可以计算得到电子运动的螺旋角满足方程
*++O?+O?"@ ； ! ! 修订日期： *++,?+*?"+ ! 收稿日期： 作者简介： 赵军平 （ "#,# —） ， 男， 陕西三原人， 硕士， 主要从事超短电磁脉冲及高功率微波研究； NSMCTENS&’=>U S&KI=M’( N&I。
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