永磁約束電子束軌跡實(shí)驗研究

張志豪，張晰哲，鄧永鋒，韓先偉

（1.西安航天動力研究所，陜西西安710100；2.陜西省等離子體物理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西西安710100）

永磁約束電子束軌跡實(shí)驗研究

張志豪1,2，張晰哲1,2，鄧永鋒1,2，韓先偉1,2

（1.西安航天動力研究所，陜西西安710100；2.陜西省等離子體物理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西西安710100）

通過設(shè)計并運(yùn)用一種直流電子束軌跡簡易測量方法，開展了永磁約束電子束軌跡實(shí)驗研究，得到了永磁鐵環(huán)對60～80 keV電子束約束作用的實(shí)驗數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：該測量方法方便有效，結(jié)果較為準(zhǔn)確；永磁鐵對電子束聚焦作用明顯，并呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。對永磁鐵約束電子束研究工作奠定了基礎(chǔ)。

磁約束；電子束軌跡；永磁鐵；測量方法；實(shí)驗研究

0 引言

隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子束已經(jīng)在高端制造[1-2]、通信[3-4]、醫(yī)療、等離子體產(chǎn)生[5-9]等越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。為了使電子束產(chǎn)生設(shè)備能夠更廣泛更方便地應(yīng)用于更多的領(lǐng)域，小型輕質(zhì)化成為必由之路。對于高能量的電子束產(chǎn)生設(shè)備，約束磁場大多為電磁線圈，不僅笨重，而且耗能極大。因而具有小體積、低質(zhì)量、無能耗的永磁鐵電子束約束技術(shù)成為了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

對于磁約束電子束，其中重要一部分是對電子束軌跡的研究，而目前對直流電子束軌跡的測量有效手段不多，傳統(tǒng)的電子束軌跡測量方法是用脈沖電子束轟擊熒光靶。該方法雖然準(zhǔn)確，但直流電子束和脈沖電子束的軌跡仍存在一定差別，不能通過利用脈沖高壓加載至被測電子束源產(chǎn)生脈沖電子束模擬直流狀態(tài)的電子束，且整個測量的操作過程十分繁瑣，亟需研究一種新的有效測量方法。本文設(shè)計了一種基于電子束燒蝕金屬膜片測量電子束軌跡的簡易方法，大大提高了測量效率，測量結(jié)果也較為準(zhǔn)確。

并基于上述測量方法，開展了永磁約束電子束軌跡實(shí)驗研究，對有無永磁鐵、永磁鐵位置及加速電壓變化對電子束軌跡的影響進(jìn)行了測量和分析，總結(jié)了相應(yīng)的規(guī)律。

1 直流電子束軌跡簡易測量方法

在靜電場和磁場環(huán)境下，電子束的束徑在傳輸通道內(nèi)不同位置有很大差別，因此要準(zhǔn)確測量電子束軌跡，需要對多個位置的束徑進(jìn)行測量，然后再進(jìn)行描繪。傳統(tǒng)的電子束軌跡測量方法是用脈沖電子束轟擊熒光靶，并通過觀察靶上的轟擊痕跡來確定電子束截面尺寸，但這種測量方法在測量直流電子束軌跡時有以下不足：

1）熒光靶能夠承受的束流平均功率很低，無法承受強(qiáng)流直流電子束的轟擊，只能用于脈沖電子束的測量；

2）很多電子束源的直流和脈沖發(fā)射特性并不相同，用測量脈沖束的方法測量直流束，獲得的結(jié)果會有偏差；

3）熒光靶每次只能測量一個截面位置上電子束形狀，測量電子束不同位置上的一組束徑必須多次改變測量位置，需要破壞真空環(huán)境或引入步進(jìn)電機(jī)等設(shè)備。

直流電子束軌跡簡易測量方法是在直流電子束傳輸通道內(nèi)的不同位置放置一組金屬膜片，利用高能電子束燒穿金屬膜片后測量燒蝕孔的方式，得到相應(yīng)位置的束徑大小，從而可以通過一次試驗描繪出直流電子束的傳輸軌跡。

下面將介紹測量所需的測量系統(tǒng)以及測量的具體流程。

1.1 測量系統(tǒng)

直流電子束軌跡測量系統(tǒng)主要由高壓電源、電子束源、電子束軌跡測量軸、真空艙、泵組（旋片泵和分子泵）、法拉第筒和電流表組成。具體測量系統(tǒng)組成如圖1所示。

其中電子束軌跡測量軸為測量系統(tǒng)的核心部件，其由測量軸、永磁鐵、金屬膜片，永磁鐵定位裝置和金屬膜片定位裝置構(gòu)成。永磁鐵定位裝置和金屬膜片定位裝置擁有軸向外螺紋，將永磁鐵和金屬膜片固定其上后，再通過螺紋旋進(jìn)測量軸內(nèi)的相應(yīng)位置。最終將安裝好的電子束軌跡測量軸與電子束源同軸安裝，即可進(jìn)行電子束軌跡測量。

1.2 測量流程

直流電子束軌跡簡易測量方法具體測量流程為：

1）首先根據(jù)電子束源接口尺寸、電子束預(yù)估直徑、永磁鐵的尺寸以及電子束引出距離設(shè)計加工測量軸、金屬膜片、金屬膜片定位裝置和永磁鐵定位裝置；

2）根據(jù)設(shè)計工況和需要測量的位置參數(shù)，將金屬膜片和永磁鐵安裝在測量軸的相應(yīng)位置；

3）將測量軸與電子束源對接，并置于真空艙內(nèi)，在輸運(yùn)通道末端安裝法拉第筒，真空艙抽真空；

4）開啟高壓電源使電子束源發(fā)射直流電子束，直到法拉第筒接收到的束流穩(wěn)定并與高壓電源輸出電流基本相同時，關(guān)閉高壓電源；

5）待陰極冷卻，恢復(fù)真空艙內(nèi)氣壓至大氣壓，拆卸測量軸上金屬膜片，測量并記錄每個金屬膜片位置及孔徑，根據(jù)測量結(jié)果繪制直流電子束軌跡。

上述步驟中測量軸內(nèi)直徑應(yīng)為電子束預(yù)估直徑的4倍以上，金屬膜應(yīng)選用對電子束源陰極污染較小的材料 (如鈦膜)，厚度0.3mm以下。真空艙氣壓抽至1×10-3Pa以下。法拉第筒接收到的束流與電子束源發(fā)射束流應(yīng)相差5%以內(nèi)，否則電子束可能已經(jīng)轟擊在其它結(jié)構(gòu)上，測量結(jié)果很可能不準(zhǔn)確。測量金屬膜片孔徑時，應(yīng)記錄同一金屬膜片孔洞直徑的最大和最小值，并將兩者乘積的平方根記錄為該金屬膜孔徑。

2 實(shí)驗系統(tǒng)及參數(shù)

利用上述直流電子束軌跡簡易測量方法，開展永磁約束電子束軌跡實(shí)驗研究，對有無永磁鐵、永磁鐵位置及數(shù)量改變對電子束軌跡的影響進(jìn)行了測量和分析，總結(jié)了相應(yīng)的規(guī)律。下面將闡述該實(shí)驗的系統(tǒng)及參數(shù)。

2.1 實(shí)驗系統(tǒng)工作原理

實(shí)驗系統(tǒng)工作原理為：100 kV高壓電源為電子束源提供高電壓，以及陰極燈絲加熱所需電流；電子束源在高電壓下產(chǎn)生高能強(qiáng)流電子束，其中陰極組件的燈絲加熱LaB6陰極藥片并產(chǎn)生電子，加速管為電子提供加速電場；永磁鐵為束流傳輸提供所需的磁場位形（如果安裝永磁鐵）；發(fā)射的電子束經(jīng)過電場和磁場的約束轟擊在膜片上，逐個擊穿膜片后進(jìn)入法拉第筒，小型真空艙為實(shí)驗提供真空環(huán)境壓力。

2.2 實(shí)驗系統(tǒng)工作參數(shù)

實(shí)驗擬定環(huán)境壓力為10-4Pa左右。每次實(shí)驗電子束出束并燒穿膜片，并穩(wěn)定工作（各測量參數(shù)相對穩(wěn)定）10 s以上即結(jié)束實(shí)驗，拆卸膜片并重新安裝，恢復(fù)真空環(huán)境后即可繼續(xù)開展下次實(shí)驗。實(shí)驗系統(tǒng)工作參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗系統(tǒng)工作參數(shù)Tab.1 Working parameters of experimental system

2.3 實(shí)驗測量參量

實(shí)驗測量參量一共包括四類：氣壓、電壓、電流和膜孔位置大小。共計6個參量，具體情況如表2所示。

表2 實(shí)驗測量參量Tab.2 Parameters measured in experiment

3 實(shí)驗結(jié)果及分析

束流傳輸基礎(chǔ)研究實(shí)驗共進(jìn)行了2個系列共10次實(shí)驗，分別對不同加速電壓下無永磁鐵和有永磁鐵情況下的電子束軌跡進(jìn)行了測量實(shí)驗。根據(jù)實(shí)驗過程中對監(jiān)測參數(shù)以及試后對膜孔位置大小的記錄，進(jìn)行了總結(jié)和分析。實(shí)驗結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.3 Data measured in experiment

其中，A系列實(shí)驗沒有永磁鐵，B系列實(shí)驗有單個永磁鐵，下面將對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3.1 無永磁鐵情況

A-001～A-005次實(shí)驗主要驗證加速電壓對電子束軌跡產(chǎn)生的影響，并考核同工況下實(shí)驗結(jié)果的可重復(fù)性，以驗證測量方法的準(zhǔn)確度。A-001～A-005次實(shí)驗數(shù)據(jù)如所示。

其中，加速電壓為實(shí)際加載值；束流為電子束流，分為電源反饋值和法拉第筒接收到的值；膜片位置指膜片距離陰極發(fā)射面的軸向位置，距離陰極最近的膜片記為1#膜片，其后依次類推，膜片距離標(biāo)注按號碼從小到大排列；膜孔直徑是指電子束燒蝕膜片留下孔洞的直徑，測量了水平長度和垂直長度，平均值是二者乘積的開方，記錄順序參照膜片位置。以下各次實(shí)驗的數(shù)據(jù)說明均參照此例。

3.1.1 實(shí)驗結(jié)果可重復(fù)性

根據(jù)表3中的實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首先要確定實(shí)驗結(jié)果是否具有可重復(fù)性，只有數(shù)據(jù)具有在相同實(shí)驗條件和參數(shù)下能夠復(fù)現(xiàn)，后續(xù)實(shí)驗結(jié)果分析才能有意義。

為了對比相同實(shí)驗的可重復(fù)性，必須尋找實(shí)驗條件參數(shù)幾乎完全相同的若干組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較A-001和A-002兩次實(shí)驗各項參數(shù)均比較吻合，因此考核實(shí)驗可重復(fù)性選擇這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

圖4為A-001和A-002的實(shí)驗結(jié)果比較，橫坐標(biāo)為距陰極發(fā)射面的軸向距離Z，縱坐標(biāo)為膜孔直徑，下面各項實(shí)驗結(jié)果分析圖與此圖相同。從比較結(jié)果可以看出，兩根曲線基本吻合，因此可以說明該實(shí)驗可重復(fù)性較好，后續(xù)實(shí)驗可以根據(jù)束流傳輸基礎(chǔ)研究實(shí)驗的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1.2 加速電壓對束流軌跡影響

為了對比加速電壓對束流軌跡的影響，選取A-002～A-005四次實(shí)驗，這四次實(shí)驗陰極加熱電流均相同，加速電壓分別為 80 kV、70 kV、65 kV和75 kV。

圖5 為四次實(shí)驗結(jié)果比較，可以看出：

1）隨著加速電壓的增加，整體束徑越來越粗，但未表現(xiàn)出明顯的線性規(guī)律；

2）越小的加速電壓，束腰的位置越遠(yuǎn)離陰極；

3）束腰位置以后的束流軌跡因為沒有電磁場約束，呈現(xiàn)線性擴(kuò)張的趨勢，并且不同加速電壓的擴(kuò)張角基本相同，擴(kuò)張半角在2°左右。

3.2 有永磁鐵情況

B-001～B-005次實(shí)驗主要驗證有無永磁鐵、單個永磁鐵位置改變對電子束軌跡的影響。同時也驗證了相同單個永磁鐵情況下，不同加速電壓時電子束軌跡的變化規(guī)律。實(shí)驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。其中磁鐵位置表示安裝的永磁鐵近陰極面與陰極發(fā)射面之間的軸向距離。

實(shí)驗中所用的永磁鐵規(guī)格均為Φ40×Φ30× 15 mm的環(huán)形釤鈷永磁磁鐵，具體參數(shù)如表4所示。

3.2.1 有無永磁鐵對電子束軌跡的影響

永磁鐵用來約束電子束的束徑，使電子束不致發(fā)散，保持在一個相對較小的束徑范圍以內(nèi)。為了研究有無永磁鐵對電子束軌跡的影響，選取了A-002、B-001和B-002三次實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，這三次實(shí)驗加速電壓均為80 kV。A-002次沒有安裝永磁鐵，而B-001次和B-002次均在距離陰極145 mm處安裝了上述永磁鐵，兩次實(shí)驗僅測量電子束軌跡的金屬膜片個數(shù)不同，其余參數(shù)完全相同。

表4 永磁鐵參數(shù)Tab.4 Parameters of permanent magnet

圖6為三次實(shí)驗對比結(jié)果，圖中色塊表示相應(yīng)顏色的曲線所安裝永磁鐵的軸向位置，但并不表示其徑向位置，下同。

從圖中結(jié)果可以看出，B-001和B-002次實(shí)驗結(jié)果吻合較好，再次驗證了實(shí)驗的可重復(fù)性；安裝永磁鐵后，束徑明顯減小，并且在這種約束電子束的作用可以在永磁鐵后很長的距離內(nèi)體現(xiàn)。以此圖為例，Φ40×Φ30×15規(guī)格永磁鐵可以使加速電壓為80 kV電子束在其后30 mm范圍內(nèi)束徑持續(xù)減小。

3.2.2 永磁鐵的軸向位置對束流軌跡的影響

選取B-002、B-003和B-004三次實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行比較。三次實(shí)驗的加速電壓均為80 kV，均安裝一個Φ40×Φ30×15 mm規(guī)格永磁鐵，距離陰極發(fā)射面分別為145、170和130 mm。圖7為比較結(jié)果，從圖中可以看出：

1）不論永磁鐵與陰極的距離多遠(yuǎn)，都能將電子束束徑有效減小，并且對電子束束徑減小的作用距離基本相同。以此圖為例，三次不同的實(shí)驗，Φ40×Φ30×15規(guī)格永磁鐵均可以使加速電壓為80 kV電子束在其后30 mm范圍內(nèi)束徑持續(xù)減??；

2）永磁鐵距離陰極越近，也就是所處的電子束束徑越小，經(jīng)約束后電子束的束徑也就越小。

3.2.3 永磁鐵對不同加速電壓束流軌跡的影響

選取B-002和B-003兩次實(shí)驗進(jìn)行對比，永磁鐵位置均為距離陰極145 mm。對比結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，越小的加速電壓，相同的永磁鐵對電子束的約束能力越強(qiáng)，電子束達(dá)到束腰的距離就越短。以圖中為例，加速電壓為80 kV時電子束需要 30 mm達(dá)到束腰，而70 kV時只需要20 mm左右就可以達(dá)到。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于電子束燒蝕金屬膜片測量電子束軌跡的簡易方法。并基于上述測量方法，開展了永磁約束電子束軌跡實(shí)驗研究，對有無永磁鐵、永磁鐵位置及加速電壓變化對電子束軌跡的影響進(jìn)行了測量和分析。得到了以下結(jié)論：

1）直流電子束軌跡簡易測量方法可以簡單快速測量高能直流電子束，并具有良好的測量重復(fù)性，準(zhǔn)確度較高；

2）無永磁鐵時，隨著加速電壓的增高，電子束束徑越粗，束腰位置越遠(yuǎn)離陰極；

3）永磁鐵對電子束的聚焦作用明顯：

a)不同位置相同規(guī)格的永磁鐵對相同參數(shù)電子束的作用距離相同；

b)加速電壓越低，永磁鐵對電子束約束效果更強(qiáng)。

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（編輯：陳紅霞）

Experimental study on electron beam trajectory confined by permanent magnet

ZHANG Zhihao1,2,ZHANG Xizhe1,2,DENG Yongfeng1,2,HAN Xianwei1,2
（1.Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China; 2.Shaanxi Key Laboratory of Plasma Physics and Applied Technology,Xi’an 710100,China）

A simple measurement method of DC electron beam trajectory was designed.With this measurement method,some experimental studies of trajectory of electron beam confined by permanent magnet(PM)were researched.Some experiment data of PM ring which can restrain the electron beam at 60～80 keV were gotten.The results show that the measurement method is convenient and effective, the results are comparatively accurate,PM have an evident focusing effect on electron beam,and this effect has a certain regularity.It laid a foundation for future farther study on magnetically-confined electron beam bymeans ofpermanent magnets.

magnetic confinement;electron beam trajectory;PM;measurement method; experimental study

V439-34

A

1672-9374(2017)01-0043-07

2016-05-24；

2016-11-22

國家863項目（2013AA7023028）

張志豪（1988—），男，工程師，研究領(lǐng)域為等離子體技術(shù)應(yīng)用