一種抑制高壓加速管電子負(fù)載效應(yīng)的新方法

李麒成　李德明　何子鋒（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū)　上海 20800）2（中國科學(xué)院大學(xué)　北京 00049）

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一種抑制高壓加速管電子負(fù)載效應(yīng)的新方法

李麒成1，2李德明1何子鋒1
1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū)上海 201800）2（中國科學(xué)院大學(xué)北京 100049）

電子負(fù)載效應(yīng)在高壓加速管中是需要避免的，因?yàn)殡娮迂?fù)載效應(yīng)往往會造成加速管中出現(xiàn)大量的電子流，使得高壓難以繼續(xù)升高，而電子負(fù)載效應(yīng)與加速管中的雜散粒子倍增有關(guān)。本文介紹了如何利用透鏡電場抑制電子負(fù)載效應(yīng)。通過不等梯度電位形成透鏡電場，透鏡電場對中心軸上加速的粒子不造成影響，而對遠(yuǎn)離主軸的雜散粒子起到消散的作用，可以有效地阻止這些雜散粒子長距離飛越，減弱雜散粒子的倍增能力?？梢娡哥R電場能夠?qū)﹄娮迂?fù)載效應(yīng)起到抑制的作用。

加速管，電子負(fù)載效應(yīng)，不等梯度，抑制，透鏡電場

1　原理介紹

電子負(fù)載效應(yīng)和加速管中某種粒子的交換過程有關(guān)。因此，要抑制電子負(fù)載效應(yīng)就必須破壞這種交換過程的進(jìn)行。通常采取措施就是要使得雜散粒子不能長距離的飛越，常用的方法：一是采用小孔徑加速電極［2］；二是引入抑制場。

小孔徑可以限制次級粒子的運(yùn)動范圍，孔徑越小，限制作用越大，效果越好。但是，在實(shí)際使用小孔徑加速電極時，聚焦和真空是兩大問題。小孔徑對聚焦提出更高的要求，這很顯然。因?yàn)槿绻髌绷艘恍蛘呤叽笠恍?，在大孔徑加速管中仍然可以出來，但在小孔徑加速管中就會打到電極上。加速管對真空要求很高，孔徑越小，抽真空就很困難，造成加速管局部的真空達(dá)不到要求。

抑制場常見的斜場型加速管，主要利用其傾斜電場的徑向分量。對于加速電極表面產(chǎn)生的次級粒子，由于它們的初始能量很小，所以這些粒子在傾斜電場的徑向分量作用下，走不長的一段路程后，就打在加速電極上［3］。斜場型加速管存在一定的不足，主要是傾斜電場對被加速的粒子也有作用，使得被加速的粒子軌跡圍繞管軸線來回振蕩，引起束流發(fā)散［4］。在利用電場的徑向分量來限制次級粒子長距離飛越，同時也要避免對被加速粒子的影響，因此提出了一種采用連續(xù)的透鏡電場加速粒子方法，如圖1所示。

在加速管內(nèi)突然出現(xiàn)的負(fù)載電流中，根據(jù)Mansfield等［5］的測定，有正粒子、負(fù)粒子。負(fù)粒子電流和正粒子電流之比約為 12.5：1；在負(fù)粒子電流中，電子和負(fù)離子之比約為25：1。因此，這一電流的基本成分是電子。所以在圖1透鏡電場中，我們以消散雜散電子為例。當(dāng)電子束流在透鏡電場中加速時，由于電子束流主要集中在軸線附近，電場的徑向分量對被加速的電子束影響很小。一些雜散的電子遠(yuǎn)離中心軸，而透鏡電場遠(yuǎn)離中心軸位置電場的徑向分量比較大［6］，剛好可以把這些雜散電子在低能的時候消散，打在附近電極上消失掉，從而可以抑制雜散電子長距離的飛越加速。

這種利用透鏡電場加速的方法巧妙之處就是，既可以做到不影響主束的加速，同時又可以消散掉次級粒子。因?yàn)榇渭壛Ｗ又饕诩铀匐姌O片附近，遠(yuǎn)離透鏡電場的中心軸。該位置電場的徑向分量也比較大，越遠(yuǎn)離中心軸就越靠近電極片，電場的徑向分量就越大，次級粒子就可以更快地打到電極片上，更好地消散掉。因而可以限制次級粒子的長距離飛越加速，使得粒子的倍增能力減弱，達(dá)到抑制電子負(fù)載效應(yīng)的作用。

單一的透鏡電場可以消散單一區(qū)域的次級粒子，而整個加速管中都存在有雜散狀態(tài)的次級粒子，為此我們設(shè)置多個透鏡電場相連。通過這些連續(xù)的透鏡電場給主束加速，同時也可以對整個加速管中的雜散粒子起消散作用。

2　設(shè)計(jì)透鏡電場

在加速管中，一般采用勻強(qiáng)電場［7］加速粒子。勻強(qiáng)電場是通過設(shè)置等梯度電位得到，而透鏡電場是一種非勻強(qiáng)電場，所以需要通過設(shè)置不等梯度電位來得到這樣的加速電場。

電位是通過分壓電阻［8］來實(shí)現(xiàn)，我們要得到不等梯度電位，就需要采用不等值的分壓電阻進(jìn)行分壓。根據(jù)不同的需要，選擇不同的電阻值。由于我們需要的是透鏡電場，所以加速管節(jié)與節(jié)之間的分壓電阻值需要逐漸增大，然后再逐漸減小，這樣加速管節(jié)與節(jié)之間的電壓也是先增大再減小，等電位面是由電壓大的一側(cè)向電壓小的一側(cè)彎曲，就可以形成了透鏡電場。當(dāng)然前提是加速管節(jié)與節(jié)之間的電壓不能超出所能承受的最大電壓，所以加速管節(jié)與節(jié)之間的電壓不能無限制的增加。

以一段有 7小節(jié)的加速管為例，其電位為10000-22500V，分別設(shè)置y1、y2、y3、y4、y5這5組不同的電位分布，如表1所示。

表1　電位分布Table 1　Potential distribution.

根據(jù)表1中5組不同的數(shù)據(jù)繪制電位分布曲線，如圖2所示。

圖2　電位分布曲線Fig.2　Potential distribution curve.

從圖2中可以看出，粒子在每條電位分布曲線下加速所獲得的能量都是一樣的，因?yàn)槊織l曲線的電位值都是從10000V到22500V，電壓一樣，所以加速獲得的能量也一樣。圖2中電位分布曲線y1，其電位梯度是恒定的，所以電壓也是均勻的，形成的電場是勻強(qiáng)電場，粒子在這樣電位分布下加速就是在勻強(qiáng)電場中加速。y2、y3、y4、y5這4條電位分布曲線，其電位梯度是變化的，所以是不等梯度電位加速。電位梯度對應(yīng)的就是電場，電位梯度的變化就是電場的變化。

y2、y3、y4、y5這4組電位分布值設(shè)置的目的就是為了形成透鏡電場，它們之間的差別就是從y2到y(tǒng)5電位梯度變化的幅度逐漸增大。

3　仿真模擬分析

利用軟件對 y1、y2、y3、y4、y5這5組不同電位分布值進(jìn)行建模仿真，計(jì)算電場的徑向分量。通過仿真可以得到軸上（r=0mm）和傍軸（r=30mm）電場的徑向分量，如圖3所示。

加速管長度一樣，加速電壓一樣，被加速粒子在y1、y2、y3、y4、y5這 5組不同的電位分布下，粒子加速所獲得的最終能量是一樣的。我們主要關(guān)注這5組不同電位分布下，其電場的徑向分量對加速粒子的影響以及對遠(yuǎn)離加速管軸的次級粒子的影響。目的是盡量不影響軸上主束粒子的加速，同時要盡可能在短距離內(nèi)使次級粒子消散，倍增減弱，抑制電子負(fù)載效應(yīng)。

圖3　r=0 mm （a）和r=30mm （b）處電場的徑向分量ErFig.3　Radial component of electric field Erat r=0 mm （a） and r=30 mm （b）.

從圖3（a）可以看到，當(dāng)電位梯度變化幅度逐漸增大時，加速管軸上（r=0mm）的電場的徑向分量Er整體上沒有太大的變動。圖3（a）中電場的徑向分量Er的波動變化是由于計(jì)算網(wǎng)格劃分造成的結(jié)果誤差。我們都知道，理論上加速管軸上電場的徑向分量Er的大小為零?？梢?，在電位梯度變化的情況下，軸上電場的徑向分量 Er對主束的影響與在等電位梯度下軸上電場的徑向分量 Er對主束的影響沒有什么差別。

由圖3（b）可見，當(dāng)電位梯度變化幅度逐漸增大時，電場的徑向分量Er也逐漸增強(qiáng)，而且電位梯度變化幅度越大，電場Er越大，越有利于對次級粒子的消散作用。

以 y1、y2、y3、y4、y5不同的電位分布為例，電位梯度變化幅度逐漸增大。假如存在雜散電子在電極片附近，通過仿真可以看出在5組不同電位分布下，他們分別的運(yùn)動軌跡，如圖4所示。

圖4　電極片附近雜散電子軌跡?。╝） y1，（b） y2，（c） y3，（d） y4，（e） y5Fig.4　Stray electron trajectory near the electrode. （a） y1， （b） y2， （c） y3， （d） y4， （e） y5

圖4（a）由于是等梯度電位，形成的電場是勻強(qiáng)電場，雜散電子受到電場的徑向分量Er的作用力很小，能夠飛越很長的一段距離。圖4（b）和（c）雖然是不等梯度電位，形成透鏡電場，但由于電位梯度變化幅度相對較小，透鏡電場的徑向分量Er也比相對較小，對雜散電子的作用力不夠明顯。圖4（d）和（e）電位梯度變化幅度大，透鏡電場的徑向分量Er大，能夠使雜散電子在較短的距離內(nèi)就打在電極片上，把雜散電子消散掉。這種在較短距離內(nèi)就可以消散掉次級粒子的方法，使次級粒子倍增能力減弱，起到抑制電子負(fù)載的效果。

4　結(jié)語

本文介紹了采用透鏡電場抑制電子負(fù)載效應(yīng)的方法。通過不等梯度電位形成透鏡電場，利用電場徑向分量消散電極片附近的次級粒子，抑制電子負(fù)載效應(yīng)。由于受到加速管所能承受的最大電場限制，該方法可能會增加加速管長度，增加成本。但隨著加速管工藝技術(shù)的改進(jìn)，耐壓水平提高，成本降低，使用該方法抑制電子負(fù)載效應(yīng)也是可行的。

1葉銘漢， 陳鑒璞， 夏廣昌， 等. 靜電加速器［M］. 北京：科學(xué)出版社， 1965：328

YE Minghan， CHEN Jianpu， XIA Guangchang， et al. Electrostatic accelerator［M］. Beijing：Science Press， 1965：328

2孫振武， 李玉曉， 姜勝南， 等. 離子靜電加速器加速管的研制［J］. 鄭州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2001， 33（2）：35-38

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3桂偉燮， 洪忠悌. 粒子加速器原理［M］. 北京：原子能出版社， 1984：107

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4陳佳洱， 方家馴， 裴元吉， 等. 加速器物理基礎(chǔ)［M］. 北京：原子能出版社， 1993：106-107

CHEN Jiaer， FANG Jiaxun， PEI Yuanji， et al. Accelerator physics foundation［M］. Beijing：Atomic Energy Press，1993：106-107

5Mansfield W K， Fortescue R L. Pre-breakdown conduction between electrodes in continuously-pumped vacuum systems［J］. British Journal of Applied Physics，1957， 8（2）：73-78

6劉祖平. 束流光學(xué)［M］. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社， 2005：25-27

LIU Zuping. Beam optics［M］. Hefei：University of Science and Technology of China Press， 2005：25-27

7Feagin J M， Briggs J S. Reaction imaging in uniform electric and magnetic fields［J］. Journal of Physics B Atomic Molecular & Optical Physics， 2014， 47：4495-4501

8肖坤祥， 金大志， 向偉， 等. 帶伴隨粒子中子發(fā)生器研制［J］. 核技術(shù)， 2011， 34（1）：27-30

XIAO Kunxiang， JIN Dazhi， XIANG Wei， et al. The design of neutron generator with concomitant particle［J］. Nuclear Techniques， 2011， 34（1）：27-30

A new method of suppressing the electronic load effect for high voltage accelerating tube

LI Qicheng1，2LI Deming1HE Zifeng1
1（Shanghai Institute of Applied Physics， Chinese Academy of Sciences， Jiading Campus， Shanghai 201800， China）
2（University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Background: In the high voltage accelerating tube， the electronic load effect tends to cause a large amount of electrons flow in the tube， making it difficult to continuously increase the voltage， and thus needs to be avoided. Electronic load effect is related to the multiplication of the stray particles in the accelerating tube. Purpose: This study aims to propose a method to suppress the electronic load effect. Methods: The lens electric field is adopted to eliminate the spray particles. The formation of the lens electric field is built through the unequal gradient potential. Results: The lens electric field has no effect on the main beam on the central axis， but the stray particles that are far away from the central axis are dissipated. It effectively prevents the long distance movement of these stray particles， and weakens the doubling capacity of the stray particles. Conclusion: The lens electric field has an inhibitory effect on the electric load effect for the high voltage accelerating tube.

Accelerating tube， Electronic load effect， Unequal gradient， Suppression， Lens field

高壓加速器在升高電壓過程中，有時出現(xiàn)電壓升到一定值就很難上升，這通常是由于電子負(fù)載效應(yīng)造成的。電子負(fù)載效應(yīng)是一種與加速管內(nèi)次級粒子再生倍增有關(guān)的放電現(xiàn)象。當(dāng)加速管電壓達(dá)到某個閾值時，加速管內(nèi)突然出現(xiàn)大量的電子流，同時有強(qiáng)烈的X射線出現(xiàn)。在這之后，由于電子流隨電壓急劇增加，很快就超過了加速器可能有的最大輸電電流，因此成為加速器電壓的實(shí)際限制［1］。

LI Qicheng， male， born in 1988， graduated from South-Central University for Nationalities in 2010， doctor student， focusing on accelerator technology and application

TL99

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.070204

上海市自然科學(xué)基金（No.12ZR1436500）資助

李麒成，男，1988年出生，2010年畢業(yè)于中南民族大學(xué)，現(xiàn)為博士研究生，研究方向?yàn)榧铀倨骷夹g(shù)及應(yīng)用

李德明，E-mail：lideming@sinap.ac.cn

Supported by the Science and Technology Commission of Shanghai Municipality （No.12ZR1436500）

LI Deming， E-mail：lideming@sinap.ac.cn

2016-01-13，

2016-03-11