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切倫科夫輻射的強流電子束均勻性光學診斷*

蔡丹1，劉列1，巨金川1，王瀟2

(1.國防科技大學 光電科學與工程學院，湖南 長沙410073； 2. 中國人民解放軍78010部隊，四川 成都610000)

摘要：透明介質中帶電粒子的運動速度大于介質中的光速時就會產生切倫科夫輻射光。搭建了基于切倫科夫輻射光的強流電子束均勻性診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了時間和空間分辨的納秒級電子束均勻性光學診斷。利用程序對診斷系統(tǒng)進行設計。在此基礎上對兩種天鵝絨陰極發(fā)射均勻性進行光學診斷測量。結果表明：在相同電參數(shù)下，碳纖維天鵝絨較化纖天鵝絨具有更好的發(fā)射性能，與之對應的切倫科夫輻射光斑面積更大，其亮度掃描曲線不但中心增強區(qū)域較化纖天鵝絨寬，在其邊緣附近也有較強的亮度分布；通過分析切倫科夫輻射光斑的分布和強弱的時間分辨圖像，可以得到陰極在電脈沖過程中的運行狀態(tài)，具有10ns～100ns級時間分辨特性。

關鍵詞：強流電子束；時間分辨均勻性診斷；高速分幅相機

強流(束流密度達幾百到幾千A/cm2)脈沖(10-7~10-6s)電子束在閃光X照相[1]、高功率微波產生[2]和電子束輻照[3]等領域已經得到廣泛應用。場致爆炸發(fā)射陰極在高壓脈沖電場中能產生強流電子束，是當前能夠產生大于1kA/cm2電流密度的唯一一種陰極。這類陰極具有簡單、易用、只需要少量的輔助設備等優(yōu)勢。但是，也有嚴重的缺點和局限，例如放氣量大、電子非均勻發(fā)射、間隙閉合等[2]。陰極發(fā)射均勻性是衡量束流品質的重要參量之一，它不但會影響高功率微波器件的輸出功率、束波轉化效率，還會影響微波輸出的中心頻率和所激勵的模式[4-9]。因此，具有時間和空間分辨陰極發(fā)射均勻性診斷研究對提高束流品質，改善高功率微波(High Power Microwave，HPM)器件性能非常重要。眾所周知，當帶電粒子在透明介質中運動速度大于介質中的光速時,就會產生切倫科夫輻射光。切倫科夫輻射光強度與束流密度成正比，診斷透明輻射靶表面的光強分布，可以反映束流密度分布，進而反映陰極發(fā)射的均勻程度[10-11]。蔡丹等搭建了強流二極管陰極發(fā)射均勻性光學診斷平臺，利用高速分幅相機對兩種天鵝絨陰極發(fā)射均勻性進行時間和空間分辨的光學診斷測量。

圖1　實驗平臺示意圖Fig.1　Schematic diagram of experimental setup

1二極管電子束均勻性診斷系統(tǒng)

基于高壓脈沖調制器和高速分幅相機的二極管等離子體光學診斷系統(tǒng)如圖1所示。 初級儲能電容充電至預定電壓值后，由控制臺發(fā)出指令導通場畸變開關接通放電回路。電容通過脈沖變壓器對水介質脈沖形成線進行充電，當形成線電壓達到一定值時主開關自行導通，所形成的高電壓經螺旋形傳輸線延遲后加載到二極管，由爆炸發(fā)射冷陰極產生強流電子束。高壓脈沖調制器輸出電脈沖半高寬的時間為110ns，前沿(電壓幅值從10% 上升到 90%的時間)25ns，電壓幅值200kV～500kV可調。高壓脈沖調制器工作在單脈沖模式，運行間隔為3~5min。二極管采用平板型結構，陰極材料選擇化纖天鵝絨和碳纖維天鵝絨。陰極直徑6cm，為了抑制陰極邊緣場增強，陰極頭加裝不銹鋼屏蔽環(huán)，高度為2mm。 陽極直徑120mm，材料為不同目數(shù)的不銹鋼和黃銅絲網，通過壓環(huán)與陽極套筒螺紋連接。陰陽極間距1~5cm可調。二極管本底氣壓為9.999×10-3~2.666×10-2Pa。二極管電壓和電流通過電阻分壓器和羅科夫斯基線圈測量。實驗中使用高速分幅相機監(jiān)測陰極電子轟擊石英輻射靶產生的切倫科夫輻射光。高速分幅相機有4個微通道板像增強器模塊，曝光時間3ns到數(shù)μs可調，同時通過相機自帶軟件CamWare設置幅間間隔時間用來控制拍照時序。高速相機工作模式有單曝光和多曝光兩種，兩種模式的循環(huán)周期均大于320ns。由于加載到強流電子束二極管陰極的高壓脈沖寬度僅為百納秒左右，實驗中高速相機設定為單次單曝光模式。如圖1所示，高速相機選用電觸發(fā)工作模式，高壓脈沖調制器主開關導通后的負極性高電壓脈沖經電阻分壓器衰減后由信號處理器轉換為上升沿1.5ns 的晶體管-晶體管邏輯電路(Transistor-Transistor Logic，TTL)信號。為了實現(xiàn)高速相機與輻射靶切倫科夫輻射光的納秒級同步，在主開關后加入用于延時的螺旋傳輸線(電長度110ns)。另外，為了防止陰極等離子體發(fā)光對拍照結果的影響，實驗時在石英輻射靶內表面粘貼了遮光材料。

2診斷系統(tǒng)設計

為了達到好的診斷結果，實驗前需要對陽極套筒長度和石英轉換靶厚度進行設計。采用商用粒子模擬(Particle In Cell，PIC)軟件CHIPIC和開源蒙特卡洛軟件CASINO[12]對這兩個參數(shù)進行設計。

圖2為采用實際結構得到的二極管中典型的電子束相空間圖。二極管電壓設定為320kV，這是脈沖發(fā)生器穩(wěn)定運行的典型值。圖2(a)為陰陽極間隙dak=3.5cm的情況，由陰極產生的強流相對論電子束通過陽極網后，由于沒有導引磁場，在空間電荷斥力作用下產生徑向膨脹。圖2(b)將陰陽極間隙縮小到dak=1.5cm，可以發(fā)現(xiàn)，電子束由陰極表面向陽極運動的過程中，束斑的半徑不斷減小，產生了明顯的束流箍縮，電子在穿過陽極網后，自磁場產生的箍縮力仍然大于空間電荷斥力，但是隨著束斑半徑繼續(xù)減小，空間電荷斥力迅速增大，當束斑半徑達到最小值(束腰)時，空間電荷斥力大于自箍縮力，電子束流在陽極筒內無法正常傳輸，很多電子轟擊在陽極支撐筒壁上。另外，由于束流的向內箍縮，會破壞原有的束流分布，使得診斷結果毫無意義。束斑減小，沉積到陽極網上的能量密度增大，不但會損害陽極網的壽命，同時也容易產生陽極等離子體，加快二極管閉合，影響二極管的正常運行。因此，在實驗過程中為了保證束流的正常傳輸和有限的徑向膨脹，選擇陰陽極間隙為3.5cm，陽極支撐筒長為10cm(轟擊到石英表面的電子束半徑為5cm)，內徑為6cm。

(a)陰陽極間隙 dak=3.5cm(a) dak=3.5cm

(b)陰陽極間隙 dak=1.5cm(b) dak=1.5cm圖2　典型的電子相空間圖Fig.2　Typical phase-space picture of electrons

實驗中，為避免強流電子束穿透石英轉換靶且對真空腔進行密封，石英靶必須具有一定厚度，但也不能太厚，太厚會影響診斷結果的精度。圖3為二極管電壓320kV時入射到石英靶上的電子束動量的徑向和軸向分量之比Pr/Pz與電子束入射位置R的關系?？梢园l(fā)現(xiàn)電子轟擊到石英玻璃的最大半徑約為6cm。隨著R的增加，Pr/Pz絕對值增大，Pr/Pz絕對值幾乎都小于0.5，對應于電子束與石英靶表面夾角θ為63.4°，也就是說電子束以大于63.4°的入射角輻照到石英靶上。另外，通常二極管電壓典型值為300kV~400kV。因此有必要對不同電壓和入射角情況下電子束穿透深度進行計算，以便設計石英輻射靶厚度。

圖3　石英輻射靶上Pr/Pz與R的關系Fig.3　Relationship between Pr/Pzand R at the surface of quartz slice

圖4為CASINO模擬得到的電子透射深度與電子能量的關系，這里電子透射深度為電子在輻射靶內能夠到達的最遠距離。由圖4可知電子透射深度與電子能量成正比，當電子能量為360keV時，電子透射深度為0.83mm。圖5給出了電子透射深度與電子入射角的關系，可以發(fā)現(xiàn)相同能量下，電子的透射深度與入射角度基本無關。實驗中，為了保證二極管的穩(wěn)定運行，二極管電壓都不高于400kV，石英輻射靶厚度采用3mm。輻射靶厚度大于透射深度主要是由于石英輻射靶還要用作二極管真空腔的真空密封，為了避免石英靶在大氣壓下破損，厚度有所增加。由于厚度增加空間分辨率有所下降，對于電子能量320keV垂直入射石英靶(厚度3mm)其切倫科夫輻射角約為30°，此時空間分辨率為3.5mm。

圖4　電子透射深度與電子能量的關系Fig.4　Relationship between variation of penetrationdepth and electron energy

圖5　電子透射深度與入射角θ的關系Fig.5　Relationship between variation of penetrationdepth and incidence angle θ

3實驗結果和討論

圖6為典型的電流電壓波形，陰陽極間距為3.5cm。電壓平頂?shù)暮暧^電場強度約為110kV/cm，在電壓波形近似相同的情況下，電流波形存在不同，碳纖維天鵝絨相比化纖天鵝絨的發(fā)射電流幅值要大，電流波形半高寬也更寬。這個結果重復了數(shù)十炮次。

(a)電壓波形(a)Voltage waveforms

(b)電流波形(b)Current waveforms圖6　典型的電壓電流波形Fig.6　Typical voltage and current waveforms

圖7對比了兩種不同天鵝絨陰極輻射光斑分布特性，拍攝時刻為電壓加載后80ns，其電流電壓波形如圖6所示，圖7(a)為普通的化纖天鵝絨的輻射光斑；圖7(b)為碳纖維天鵝絨的輻射光斑。化纖天鵝絨輻射光斑直徑為56mm，呈現(xiàn)類高斯分布，中心與周圍光強對比明顯；碳纖維天鵝絨輻射光斑直徑為61mm，呈現(xiàn)輻射狀，光強分布較為均勻。

圖7　切倫科夫輻射光斑分布Fig.7　Distributions of Cherenkov radiation spot

沿輻射靶徑向對圖像進行亮度掃描，可以得到輻射光強沿徑向的分布，如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn)圖像的亮度是非均勻的，中心處為局部亮度增強區(qū)域，由于相機快門時間較長，中心出現(xiàn)曝光過度，導致光強的飽和。對比發(fā)現(xiàn)，碳纖維天鵝絨其邊緣附近有較強的亮度分布，這印證了碳纖維天鵝絨發(fā)射電流和有效發(fā)射面積較大的結論。

(a)化纖天鵝絨(a) Polymer velvet

(b) 碳纖維天鵝絨(b) Carbon fiber velvet圖8　亮度掃描曲線Fig.8　Brightness scanning curves

(c)二極管電壓電流波形(c) Voltage and current of diode圖9　石英轉換靶上切倫科夫輻射光的演化過程Fig.9　Typical evolution of electron Cherenkov light images from quartz target

圖9為切倫科夫輻射光斑隨時間的演化過程，圖9(a)為輻射靶石英玻璃的對焦照片，石英玻璃的直徑為70mm；圖9(b)為高速相機拍到的輻射光斑隨時間的演化過程圖像；對應的電壓電流波形和拍攝時機如圖9(c)所示，快門時間均為10ns。0~10ns時，沒有發(fā)現(xiàn)電子束轟擊石英板產生的切倫科夫輻射光斑，分析電壓電流波形(圖9(c))可以發(fā)現(xiàn)，盡管二極管電壓幅值超過了切倫科夫輻射的閾值電壓(190kV)，但是此時的電流較小，因此光產額較??；60ns~70ns時，有強烈的切倫科夫輻射，輻射光斑呈現(xiàn)類高斯分布，中心區(qū)域光強很強，此時的電壓電流幅值以及單個電子的光產額和電子束密度都較0~10ns時明顯增大；120ns~130ns時，隨著電壓脈沖幅值的下降，發(fā)射電流幅值也相應減小，此時光強減弱；180ns~190ns時，電壓幅值進一步減小至低于切倫科夫輻射閾值電壓，切倫科夫輻射光斑基本消失。因此，通過輻射光斑的時間演化，可以對應得到陰極的發(fā)射狀態(tài)。

4結論

強流電子束陰極的非均勻發(fā)射是這類陰極面臨的主要問題，影響高功率微波器件的輸出功率、束波轉化效率，還會影響微波輸出的中心頻率和所激勵的模式[1-7]。研究強流電子束均勻性對于篩選合適的陰極材料、優(yōu)化設計電磁結構，進而提高高功率微波器件的輸出性能都具有重要意義。由于強流電子束陰極脈沖式的工作狀態(tài)，脈寬通常在100ns左右，納秒量級分辨的診斷研究更為迫切。從陰極有效發(fā)射面積、陰極等離子體發(fā)光和電子束切倫科夫輻射光斑這三個方面對高功率微波源常用的陰極材料(化纖天鵝絨和碳纖維天鵝絨)的電子束發(fā)射均勻性進行了初步研究。實驗在一臺脈寬120ns，電壓350kV~450kV的脈沖功率發(fā)生器上進行。結果表明：(1)在相同電參數(shù)下，碳纖維天鵝絨較化纖天鵝絨具有更好的發(fā)射性能，與之對應的切倫科夫輻射光斑面積更大，其亮度掃描曲線不但中心增強區(qū)域較化纖天鵝絨寬，在其邊緣附近也有較強的亮度分布；(2)通過分析切倫科夫輻射光斑的分布和強弱的時間分辨圖像，可以得到陰極在電脈沖過程中的運行狀態(tài)，具有10ns~100ns時間分辨特性。

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Optical diagnosis system based on Cerenkov radiation for the uniformity of intense electron beam diode

CAIDan1,LIULie1,JUJinchuan1,WANGXiao2

(1.College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China；

2. The PLA Unit 78010, Chengdu 610000, China)

Abstract：Electrons traversing a transparent medium emit Cerenkov light when the electron velocity exceeds the velocity of light in the medium. A time-and-space resolved optical diagnosis system based on Cerenkov radiation for the uniformity of intense electron beam diode has been founded. Before the operation of a series experiments, Particle-in-cell and Monte Carlo simulation codes were utilized to design the experiment structure. The emission uniformity of two kinds of velvet sample was studied. It was found that the carbon velvet cathode has much bigger central enhancement zone and the Cerenkov radiation light of the area near the edge is also brighter. The operating state of diode can be obtained by analyzing the time evolutions of Cerenkov radiation light which achieves 10ns~100ns temporal resolution.

Key words：high-current electron beam；time-resolved uniformity diagnostics；high speed framing camera

中圖分類號：TL65；TN248

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2015)02-014-05

收稿日期：2015-01-07基金項目：國家自然科學基金資助項目(11305263，61401484)

作者簡介：蔡丹(1986—)，男，陜西西鄉(xiāng)縣人，博士研究生，E-mail：263277440@163.com；劉列(通信作者)，男，教授，博士，博士生導師，E-mail：reseek206@163.com

doi:10.11887/j.cn.201502004

http://journal.nudt.edu.cn