100 keV直流光陰極電子槍接入真空電極后的電場(chǎng)仿真*

李夢(mèng)超，王 瑄，劉 巧，袁壽財(cái)，榮垂才，陳 維，黃 俊，王興權(quán)，盧秀圓

(1.贛南師范大學(xué) a.物理與電子信息學(xué)院；b.低溫等離子體技術(shù)研究所，江西 贛州 341000；2.中國(guó)科學(xué)院 物理研究所，北京 100089；3.贛州市人民醫(yī)院，江西 贛州 341000)

1 引言

超快電子衍射技術(shù)(UED)是一種利用超短脈沖激光實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨泵浦探測(cè)的技術(shù)，其原理為利用分光裝置將超快激光脈沖分為兩束，一束用來激發(fā)電子槍陰極，產(chǎn)生超短探針電子脈沖，另一束誘導(dǎo)反應(yīng)區(qū)，通過控制兩束激光的光程而使探針電子脈沖提前或者延遲對(duì)反應(yīng)區(qū)探測(cè)，繼而實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨測(cè)量.探測(cè)精度可至飛秒(10-15s)甚至阿秒(10-18s).以高壓直流光陰極電子槍為核心的超快探測(cè)技術(shù)在晶格動(dòng)力學(xué)[1]、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程[2]、表面物理[3]、激光等離子體診斷[4-5]等研究中均獲得較快發(fā)展.國(guó)內(nèi)也已有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了該技術(shù)，例如由中國(guó)科學(xué)院物理研究所、上海交通大學(xué)、美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)合作研制的60 keV 超快電子衍射裝置[6]，華東師范大學(xué)研制的射頻壓縮超快電子衍射裝置[7]，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研制的100 keV超快電子衍射裝置[8]，在建的懷柔國(guó)家綜合極端條件實(shí)驗(yàn)室中的新一代具有脈寬壓縮功能的高亮度超快電子衍射裝置等.高壓直流光陰極電子槍是超快電子衍射技術(shù)(UED)的電子源，是該技術(shù)的核心之一，研究和優(yōu)化電子槍對(duì)于UED的發(fā)展具有重要意義.電場(chǎng)特性分析是高壓直流光陰極電子槍研究中的核心問題之一，也是設(shè)計(jì)新電子槍必經(jīng)的重要環(huán)節(jié)部分，直接關(guān)系到電子槍成功與否和實(shí)驗(yàn)的可靠性.

由電子雪崩理論可知，當(dāng)氣壓下降至10 pa左右時(shí)，氣體擊穿電壓達(dá)最小；繼續(xù)降低時(shí)，由于氣體中的分子密度降低，電子在其路徑中與分子碰撞的幾率減小，無法形成有效的雪崩效應(yīng)，相應(yīng)的擊穿電壓升高[9-10]，放電機(jī)理也發(fā)生變化；在高真空甚至超高真空的情況下，材料的擊穿與氣體擊穿機(jī)制明顯不同，不能用氣體擊穿理論解釋.通常超快電子衍射系統(tǒng)的真空度在10-9Torr左右或更高，由于氣體分子密度已經(jīng)非常低，電子在其間運(yùn)動(dòng)時(shí)，已經(jīng)很難再與氣體分子碰撞，更勿論形成雪崩效應(yīng)，此時(shí)的高壓擊穿主要來源于兩極間的粒子發(fā)射.粒子發(fā)射的來源主要有2個(gè)：第一，帶電體表面尖端導(dǎo)致局部電場(chǎng)分布增強(qiáng)，由于熱力學(xué)不穩(wěn)定性等原因，導(dǎo)致表面粒子發(fā)射，產(chǎn)生擊穿；第二，帶電體表面的雜質(zhì)粒子，由于其帶有與電極相同極性的電荷，其脫離后被加速，產(chǎn)生碰撞，若碰撞物體帶電極性相反，由于碰撞產(chǎn)生帶電微粒又會(huì)被加速回去碰撞原帶電體表面，產(chǎn)生擊穿并造成表面破壞.

2 電子槍及真空電極仿真說明

為避免由電子槍尖端引起局部電場(chǎng)過大而導(dǎo)致表面粒子發(fā)射，需要對(duì)電子槍陰陽極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以獲得具有較低表面電場(chǎng)的電子槍結(jié)構(gòu).為了對(duì)比，我們對(duì)設(shè)計(jì)較早的電子槍進(jìn)行電場(chǎng)仿真，該電子槍取自美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)超快電子衍射系統(tǒng)，仿真部分結(jié)果如圖1(b)所示，在外加-100 kV電壓下，沿陰極表面拐角處CE與陽極表面拐角處AE存在著電場(chǎng)局部放大的情況，電場(chǎng)最高至22 kV/mm.我們新設(shè)計(jì)了電子槍，即上述的中國(guó)科學(xué)院物理研究所研制的100 keV超快電子衍射裝置的直流光陰極電子槍[11].圖1(a)顯示了電子槍及其外腔室、電極等的結(jié)構(gòu)圖，其陰陽極間電場(chǎng)仿真結(jié)果如圖1(c)所示，電子槍外加電壓-100 kV，兩極間距8 mm的，電場(chǎng)分布情況得到了非常好改善，陰極表面電場(chǎng)最大值不超過12 kV/mm,陽極表面不超過13.5 kV/mm，有效避免了沿陰極和陽極表面的電場(chǎng)局部放大現(xiàn)象的產(chǎn)生.實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，新電子槍在-100 kV電壓下工作穩(wěn)定，詳細(xì)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[8].

圖1 電子槍結(jié)構(gòu)及優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真

本部分內(nèi)容是利用三維電場(chǎng)仿真軟件對(duì)上述電子槍接入真空電極后進(jìn)行整體電場(chǎng)仿真，外接電壓為-100 kV.由圖1(a)所示，高壓導(dǎo)線與真空電極通過一半徑30 mm金屬球連接.真空電極為陶瓷密封件，內(nèi)部通過一4 mm直徑金屬線進(jìn)入真空腔與電子槍相連.真空電極外套一PVC保護(hù)罩，PVC罩內(nèi)徑51 mm，厚度4 mm.真空電極一部分工作于大氣壓下，另一部分工作于真空腔內(nèi)，兩部分的放電機(jī)理不同，對(duì)其進(jìn)行電場(chǎng)特性分析是有必要的.

取真空電極的陶瓷部分相對(duì)介電常數(shù)為3.5，即ε=3.5ε0，相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)為1，即μ=μ0；外側(cè)PVC保護(hù)罩，相對(duì)介電常數(shù)取4(未受損)，相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)為1；電子槍及腔室視作理想金屬，真空腔室電勢(shì)設(shè)置為零.高壓導(dǎo)線的導(dǎo)體部分為截面積2.5 mm2銅絲，外直徑10 mm高壓專用改性聚乙烯材料(PVC)絕緣層，高壓導(dǎo)線導(dǎo)體部分連接-100 kV電壓.仿真時(shí)取高壓導(dǎo)線與真空電極連接的金屬球的球心為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿著真空電極內(nèi)部金屬導(dǎo)線并朝向電子槍方向?yàn)閆正方向，垂直于該金屬導(dǎo)線為XY方向，如圖3(a1)、圖4(b1)所示.

圖3 垂直于真空電極方向的電場(chǎng)分布

圖4 平行于真空電極方向的電場(chǎng)分布

3 仿真結(jié)果

3.1 整體仿真

圖2顯示了整個(gè)電子槍在Y=0即XZ平面上的電勢(shì)分布圖，由于金屬對(duì)電場(chǎng)具有屏蔽效果，可以看到電子槍陰極和真空電極金屬導(dǎo)線的電勢(shì)線均勻的分布在腔體的內(nèi)部，金屬球、電子槍、真空腔壁內(nèi)電場(chǎng)均為零；在大氣壓一側(cè)，電勢(shì)沿Z軸對(duì)稱分布.

圖2 -100 kV下電子槍電勢(shì)分布

圖3(a1)顯示了真空電極、金屬球、PVC保護(hù)罩等沿著Y=0的平面剖切并去掉一半后的結(jié)構(gòu)圖，我們分別用紅實(shí)線、綠色點(diǎn)段線、藍(lán)色段線、黑點(diǎn)線在不同位置進(jìn)行標(biāo)記，并分別在圖3(a2)上顯示了沿上述各線的電場(chǎng)分布情況.紅實(shí)線沿X軸通過金屬球中心，對(duì)應(yīng)的是金屬球及其外側(cè)的電場(chǎng)分布，由于金屬的屏蔽效應(yīng)，金屬球內(nèi)部電場(chǎng)為零，電場(chǎng)峰值出現(xiàn)在金屬球表面，如圖3(a2)紅實(shí)線所示.由此處峰值可以得到金屬球表面電場(chǎng)約為4 kV/mm.繼續(xù)往外，電場(chǎng)曲線出現(xiàn)一小的凹谷，該處凹谷正好對(duì)應(yīng)PVC保護(hù)罩的位置，由于極化特性，PVC內(nèi)部電場(chǎng)較低，較難擊穿，能夠有效阻擋大氣放電通道的形成.

藍(lán)段線與Z軸相交并與真空電極的某個(gè)陶瓷傘蓋底面相切.真空電極導(dǎo)線是一金屬線，其內(nèi)部電場(chǎng)為零，因此電場(chǎng)在真空電極導(dǎo)線表面即圖中Y=2 mm處有極大值，即藍(lán)段線的峰值.由于陶瓷具有較大的介電常數(shù)，在陶瓷內(nèi)部電場(chǎng)衰減較快，在陶瓷與空氣交界面處電場(chǎng)上升至一峰值，這是由于陶瓷的極化電荷所致.繼續(xù)往外，在 PVC保護(hù)罩處又出現(xiàn)電場(chǎng)值的凹陷.綠色點(diǎn)段線與Z軸相交并與真空電極法蘭表面相切，該處為金屬與空氣交界面.由于此處陶瓷半徑較小，綠點(diǎn)段線處電場(chǎng)值整體大于藍(lán)段線處，且在陶瓷、空氣、金屬的交界面處出現(xiàn)電場(chǎng)迅速增大至一峰值的現(xiàn)象，應(yīng)該是極化電荷匯聚所致，該處應(yīng)該注意防護(hù).繼續(xù)往外，電場(chǎng)下降速度明顯加快.黑色點(diǎn)線位于腔體內(nèi)，與Z軸相交并穿過腔壁，可以看到真空電極導(dǎo)線表面電場(chǎng)有一極大值，接近15 kV/mm，同時(shí)由于腔體具有屏蔽特性，電場(chǎng)分布于腔體內(nèi)，在腔體外側(cè)，黑色點(diǎn)線上的電場(chǎng)降為零.

圖4(b1)顯示了真空電極、金屬球、PVC保護(hù)罩等沿著Y=0的平面剖切并去掉一半后的結(jié)構(gòu)圖，里面紅實(shí)線，綠色點(diǎn)段線，藍(lán)色段線，黑點(diǎn)線在不同位置進(jìn)行了標(biāo)記，圖4(b2)顯示了沿圖4(b1)各線的電場(chǎng)分布情況，并采用黑色豎段線在圖4(b2)中標(biāo)明了腔壁的位置.紅實(shí)線沿著Z軸方向，并且與真空電極導(dǎo)線表面相切，因此圖4(b2)紅實(shí)線顯示的是金屬導(dǎo)線表面的電場(chǎng)分布，由于金屬的屏蔽效應(yīng)，高壓導(dǎo)線與真空電極連接的金屬球內(nèi)部電場(chǎng)為零，故紅實(shí)線在金屬球處電場(chǎng)為零.越接近真空腔室，電場(chǎng)越強(qiáng)，這主要是因?yàn)檎婵涨浑妱?shì)為零，真空電極金屬導(dǎo)線離其越近，電場(chǎng)越強(qiáng).進(jìn)入真空腔內(nèi)部后電場(chǎng)達(dá)到一極大值17 kV/mm，由于真空腔內(nèi)部復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)分布，電場(chǎng)并不維持極大值不變，而是會(huì)隨腔體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化.同時(shí)紅實(shí)線在高壓導(dǎo)線一側(cè)也有一個(gè)小峰值出現(xiàn)，該峰值位于高壓導(dǎo)線通過PVC罩的位置.

藍(lán)段線沿Z軸方向通過陶瓷傘蓋內(nèi)部邊緣，綠色點(diǎn)段線沿Z軸方向與金屬球表面相切.由于真空電極的圓柱對(duì)稱性，藍(lán)段線與綠色點(diǎn)斷在真空腔外側(cè)電場(chǎng)都基本維持一穩(wěn)定值，當(dāng)進(jìn)入真空腔后，兩線上的電場(chǎng)上升一峰值后又回落，該處峰值位于陶瓷與腔壁的交界處.由于藍(lán)段線在Z方向上穿過金屬球，金屬球內(nèi)部電場(chǎng)為零，故藍(lán)段線在Z=0附近出現(xiàn)電場(chǎng)為零的情況.綠色點(diǎn)段線位于金屬球外側(cè)，且與金屬球表面相切，故在Z=0附近有一個(gè)極大值峰值，該峰值即是綠色點(diǎn)段線與金屬球的切點(diǎn)位置.在濕潤(rùn)的空氣中，高壓會(huì)導(dǎo)致沿面放電產(chǎn)生，而沿面放電將更容易發(fā)生在金屬與陶瓷的交界處，在本設(shè)計(jì)中，金屬球與零勢(shì)能點(diǎn)在空氣中的距離遠(yuǎn)大于100 kV下的沿面放電距離(6 cm)[9]，由仿真結(jié)果可看出陶瓷表面電場(chǎng)維持一較小值，即使發(fā)生局部電場(chǎng)過強(qiáng)產(chǎn)生電暈放電，也不會(huì)發(fā)展為沿陶瓷表面的沿面放電.黑色點(diǎn)線通過PVC罩壁的內(nèi)部，且沿Z方向一直通入真空腔的金屬內(nèi)，由于PVC罩的圓柱對(duì)稱性，電場(chǎng)基本維持一穩(wěn)定值，當(dāng)進(jìn)入真空腔的金屬材料后，電場(chǎng)被屏蔽降為零.在室溫下，聚乙烯的瞬時(shí)擊穿電壓高達(dá)6×108V/m，聚氯乙烯與聚乙烯的電學(xué)性質(zhì)相近，且其相對(duì)介電常數(shù)高于聚乙烯，老化情況下的PVC擊穿電壓預(yù)估在.由圖4(b2)可看出本設(shè)計(jì)的PVC罩中的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于老化情況下的擊穿電壓，不會(huì)發(fā)生高壓擊穿情況，雖然金屬球附近的部分電場(chǎng)高于空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，由于絕緣罩的存在，將不會(huì)發(fā)生與外界相連的空氣擊穿現(xiàn)象.通過仿真表明，若在金屬球上開一4 mm半徑孔，其邊緣的電場(chǎng)為，容易產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，導(dǎo)致電子槍工作電壓波動(dòng)，為安全起見，金屬球若做了一些開孔加工，可外套一絕緣保護(hù)套，其附近的PVC絕緣外罩宜經(jīng)常更換，防止其老化導(dǎo)致的絕緣特性降低，高壓導(dǎo)線也應(yīng)定期檢查，以保證其工作性能.高壓電極的陶瓷與法蘭的接觸面處有一電場(chǎng)極大值，工作時(shí)應(yīng)盡量避免尖端物體靠近.

3.2 金屬導(dǎo)線外套圓柱

上述結(jié)果表明，在進(jìn)入真空腔體后，沿著真空電極金屬導(dǎo)線表面處有一電場(chǎng)極大值17 kV/mm，該值已經(jīng)遠(yuǎn)高于陰極表面最大電場(chǎng)12 kV/mm和陽極表面最大電場(chǎng)13.5 kV/mm，極易在表面發(fā)生電子發(fā)射，產(chǎn)生真空擊穿，該問題一直被電子槍設(shè)計(jì)者所忽略，且未見相關(guān)文獻(xiàn)闡述.為克服上述問題，我們嘗試在真空電極金屬導(dǎo)線外套一表面光滑的長(zhǎng)圓柱，圖5(b)中紅色雙箭頭顯示外套圓柱的位置，圖5(c)為外套圓柱形狀，一端接陰極，另一端頂部為球狀.圖5(a)顯示了外套金屬圓柱后電場(chǎng)仿真結(jié)果，該圖的坐標(biāo)范圍從金屬球的球心至電子槍陰極，由于屏蔽作用，金屬球內(nèi)部及陰極內(nèi)部電場(chǎng)均為零.紅色實(shí)線為原來的不做任何改進(jìn)的金屬導(dǎo)線表面電場(chǎng)，黑色點(diǎn)線為套上5 mm半徑金屬圓柱后圓柱表面的電場(chǎng)分布，可以看到圓柱套表面電場(chǎng)基本小10 kV/mm，低于陰極和陽極表面最大電壓，在圓柱套的頭部有一峰值出現(xiàn)，主要是圓柱套的球形頭部與金屬導(dǎo)線的交界處的尖端所致，該峰值小于不做處理的真空陰極導(dǎo)線表面電場(chǎng)，且圓柱套的球形頭部已經(jīng)進(jìn)入陶瓷內(nèi)側(cè)空間，如圖5(b)所示，即使該處發(fā)生電子發(fā)射，也會(huì)被陶瓷阻攔避免真空放電.故真空電極金屬導(dǎo)線表面電場(chǎng)分布得到改善.

圖5 外套圓柱及仿真結(jié)果

同時(shí)我們也仿真了半徑為5 mm陶瓷圓柱的情況，藍(lán)色段線為陶瓷外表面電場(chǎng)分布，綠色點(diǎn)段線為套上陶瓷圓柱后真空電極金屬導(dǎo)線表面電場(chǎng)分布.顯然圓柱材質(zhì)改為陶瓷后，陶瓷圓柱外表面的電場(chǎng)更小，內(nèi)部真空電極導(dǎo)線的表面電場(chǎng)也得到明顯改善.然而根據(jù)電介質(zhì)擊穿機(jī)理可知，電介質(zhì)擊穿(如陶瓷)主要發(fā)生在與接觸面的縫隙及介質(zhì)內(nèi)部的氣孔處，通常電介質(zhì)的表面或內(nèi)部的完全擊穿都需要較長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)間，單存的間隙或氣孔擊穿不會(huì)立即形成放電，因此不易被發(fā)現(xiàn)，但是將會(huì)影響電子槍工作間電壓幅值，導(dǎo)致電子束能量不穩(wěn)定，因此陶瓷圓柱的材料選取要嚴(yán)格，盡量避免縫隙內(nèi)部氣孔.

4 結(jié)論

對(duì)直流光陰極電子槍在接入真空電極后的整體進(jìn)行三維電場(chǎng)仿真，并檢測(cè)了相關(guān)保護(hù)和改進(jìn)方案.高壓導(dǎo)線與真空電極采用金屬球連接，金屬球表面電場(chǎng)為4 kV/mm，外面套有PVC保護(hù)罩，不會(huì)發(fā)生與外界相連的空氣擊穿現(xiàn)象，但依然接近電暈放電范圍，導(dǎo)致電子槍工作電壓波動(dòng)，為安全起見，金屬球可外套一絕緣保護(hù)套，PVC保護(hù)罩宜經(jīng)常更換，防止其老化導(dǎo)致的絕緣特性降低.真空電極大氣壓這一側(cè)的陶瓷表面電場(chǎng)維持一較小值，金屬球與陶瓷的接觸處附近不會(huì)發(fā)展出沿陶瓷表面的沿面放電.真空電極金屬導(dǎo)線表面電場(chǎng)在進(jìn)入真空腔內(nèi)部后較高，且有極大值17 kV/mm，已經(jīng)高于電子槍陰極與陽極間的最大電場(chǎng)，極可能發(fā)生真空擊穿.采用在真空電極金屬導(dǎo)線上套5 mm半徑表面光滑的金屬長(zhǎng)圓柱可有效降低表面電場(chǎng)，長(zhǎng)圓柱采用陶瓷材質(zhì)效果更好，但由于陶瓷內(nèi)部的間隙或氣孔擊穿的存在，使用陶瓷材質(zhì)宜慎重，對(duì)陶瓷材質(zhì)的加工要求要嚴(yán)格.