曾冰倩，胡桐寧,2，李俊洋，李小飛，楊 軍，樊寬軍

(1.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué)國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，湖北 武漢 430074；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

電子加速器一般是指利用高頻電磁場(chǎng)對(duì)電子進(jìn)行加速，使其獲得高能量的裝置[1-2]。在高能領(lǐng)域，電子加速器產(chǎn)生的高能電子束、X 射線和γ射線能夠用于開(kāi)展物理、材料、生物等基礎(chǔ)學(xué)科的科學(xué)研究[3]。在低能領(lǐng)域，低能電子束在醫(yī)療[4]、輻照改性[5]和無(wú)損檢測(cè)[6]等領(lǐng)域也有很高的應(yīng)用價(jià)值。電子槍作為電子加速器的源頭，其引出的電子束品質(zhì)從根本上決定了后端加速結(jié)構(gòu)的束流質(zhì)量。因此，加速領(lǐng)域?qū)﹄娮邮吹囊笕找嫣岣摺Ｄ壳?，電子束源主要分為直流高壓電子槍和微波電子槍。其中，熱陰極高壓電子槍因其技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、工作壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用[7-8]。現(xiàn)有的同步輻射光源多采用熱陰極高壓電子槍作為電子束注入源。如國(guó)內(nèi)的國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室第二代合肥光源(Hefei light source,HLSII)電子直線加速器的電子束注入源[9]、上海同步輻射光源(Shanghai synchrotron radiation facility,SSRF)設(shè)備中150 MeV 電子直線加速器使用的電子束注入源[10]。而在國(guó)外：德國(guó)德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茲中心(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf,HZDR)高亮度低發(fā)射度電子直線加速器(electron linac for beams,ELBE)[11]中的電子槍均采用熱陰極柵控高壓電子槍；日本同步輻射裝置8GeV 儲(chǔ)存環(huán)(super photon ring-8 GeV，SPring-8)采用熱陰極脈沖高壓電子槍作為電子束注入源[12]?？傊?，根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)的不同性能的電子槍?xiě)?yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域和大型裝置。隨著直流高壓電子槍的成熟發(fā)展，學(xué)界開(kāi)始探索其在新領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前，電磁計(jì)量中電壓和電流已實(shí)現(xiàn)量子化，而電流量子化的實(shí)現(xiàn)仍然面臨著很大的挑戰(zhàn)[13-14]。過(guò)去對(duì)電流量子化的研究一直是基于20世紀(jì)90年代提出的單電子隧道效應(yīng)。其原理是利用量子力學(xué)把單個(gè)電子依次通過(guò)器件，產(chǎn)生單電子電流，根據(jù)器件的交流頻率f可以得到單電子隧道電流為I=e×f,從而實(shí)現(xiàn)基于電子電荷量頻率量的量子電流基準(zhǔn)[15]。但是，該應(yīng)用方法需要采用超低溫和復(fù)雜的高頻技術(shù)，目前還很難實(shí)現(xiàn)。

因此，如何獲取穩(wěn)定的電子束流是目前實(shí)現(xiàn)電流量子化的瓶頸。隨著加速器領(lǐng)域的發(fā)展和電子測(cè)量平臺(tái)的成熟，李小飛等[16]提出利用電子加速器產(chǎn)生弱流電子束，并通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)束裝置對(duì)電子束進(jìn)行刮束、聚束，從而獲得電流量子化所需要的電子束流。這一想法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)就是要得到穩(wěn)定的高品質(zhì)單電子流。通過(guò)文獻(xiàn)[17]的初步仿真計(jì)算，束流的初始性能參數(shù)對(duì)電子束在調(diào)束管中的穩(wěn)定性影響很大。而電子槍從根本上決定了束流的性能參數(shù)。所以，為了得到高穩(wěn)定度、層流性好的單電子流，必須從源頭提高束流的品質(zhì)。這就對(duì)電子槍提出了更高的要求。

本文從電子束源及束流傳輸線等方面提出電子束流優(yōu)化方法，推動(dòng)基于電子加速器的電流量子化方案的實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)一步優(yōu)化束流品質(zhì)，本文在現(xiàn)有電子束源的基礎(chǔ)上對(duì)電子槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，通過(guò)Opera仿真軟件計(jì)算并分析了電子槍各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)引出束流特性的影響，并綜合考慮各結(jié)構(gòu)參數(shù)，以得到較理想的電子槍結(jié)構(gòu)；其次，考慮到調(diào)束管中聚焦螺線管線圈的邊緣磁場(chǎng)會(huì)破壞電子槍內(nèi)束流的品質(zhì)，比較分析了增加屏蔽殼或者反抵線圈消除邊緣磁場(chǎng)的影響程度，從而進(jìn)一步優(yōu)化電子束源的束流品質(zhì)。

1 基于加速器的電流量子化

文獻(xiàn)[16]提出使用電子加速器產(chǎn)生弱電流電子束，通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)束裝置在傳輸線上用多圓孔狹縫刮去電子束的外圍多余電子，以獲得單電子流，實(shí)現(xiàn)電流量子化。通過(guò)初步仿真計(jì)算，該方案具有一定的可行性。而產(chǎn)生穩(wěn)定的弱流電子束并進(jìn)行穩(wěn)定傳輸仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可實(shí)施性并指導(dǎo)后續(xù)研究，本文基于自由激光太赫茲源的電子束源設(shè)備，設(shè)計(jì)了一個(gè)電子束調(diào)束管裝置。該電子束源設(shè)備采用的是熱陰極直流高壓電子槍。該電子槍首先對(duì)燈柵加熱使其發(fā)射電子，然后通過(guò)15～20 kV高壓引出電子束。電子束經(jīng)高壓電子槍引出后會(huì)經(jīng)過(guò)一段陶瓷漂移管，并入射到調(diào)束管中。

本文設(shè)計(jì)的電子束源產(chǎn)生的電子束流強(qiáng)較高，可以達(dá)到4.3 A。而對(duì)于強(qiáng)流低能電子束而言，其空間電荷效應(yīng)明顯。這會(huì)導(dǎo)致束流發(fā)散嚴(yán)重，從而很難將束流從細(xì)小的陽(yáng)極孔完全引出。此外，陽(yáng)極孔附件由于電場(chǎng)分布的改變會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性效應(yīng)，進(jìn)而加劇束流的發(fā)散。因此，為解決強(qiáng)流低能束流引出問(wèn)題，本文對(duì)電子槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，在陰極與陽(yáng)極之間添加了一個(gè)聚焦極來(lái)減小束流的橫向發(fā)散，使其順利通過(guò)陽(yáng)極孔射出。對(duì)于調(diào)束裝置，在調(diào)束管中間設(shè)置一個(gè)聚焦螺線管線圈對(duì)束流橫向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在螺線管線圈的上游和下游都設(shè)置了刮束狹縫和熒光屏觀察窗的組合。其中，狹縫的大小是多級(jí)可調(diào)的。利用可調(diào)狹縫可以刮去束流外圍品質(zhì)不好的粒子，只保留中心區(qū)域分布均勻且穩(wěn)定的粒子，并實(shí)現(xiàn)束流流強(qiáng)的多級(jí)可調(diào)。熒光屏由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以觀察到不同位置的束流尺寸參數(shù)。束流由末端的法拉第筒收集測(cè)量，用于開(kāi)展電荷量的精確測(cè)量。這對(duì)束流的品質(zhì)和穩(wěn)定性提出了很高的要求。

然而，得到高品質(zhì)電子束并穩(wěn)定傳輸仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。電子槍的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)從根本上影響束流品質(zhì)。聚焦線圈的邊緣場(chǎng)等外部因素會(huì)破壞束流的層流性，進(jìn)而影響傳輸線上的束流穩(wěn)定性。因此，必須從電子束源和電子束傳輸線等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得實(shí)現(xiàn)電流量子化所需的高穩(wěn)定和高品質(zhì)電子束流。

2 電子束源的優(yōu)化

電子槍作為電子束源，從源頭上決定了束流的品質(zhì)。因此，為了引出穩(wěn)定度高、層流性好的電子束，需要綜合考慮各因素對(duì)束源的影響。

2.1 電子槍結(jié)構(gòu)分析

電子槍的結(jié)構(gòu)及場(chǎng)分布決定了所發(fā)射束流的品質(zhì)。為了引出高品質(zhì)束流，使其具有較好的穩(wěn)定性和層流性，本文在基于經(jīng)典的皮爾斯電子槍的基礎(chǔ)上對(duì)電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行比較分析，探究其對(duì)束流品質(zhì)的影響，從而設(shè)計(jì)出滿足需求的電子槍結(jié)構(gòu)。以下主要分析了陰極尺寸、曲面陰極曲率、聚焦極角度以及陽(yáng)極鼻錐長(zhǎng)度這幾個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)束流品質(zhì)的影響。

2.1.1 電子槍陰極大小的影響

陰極面采用平面陰極，通過(guò)改變陰極面半徑大小，觀察引出束流的聚焦情況、射程以及橫向尺寸大小，分析陰極結(jié)構(gòu)對(duì)束流品質(zhì)的影響。束流聚焦過(guò)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致聚焦迅速發(fā)散，稱為過(guò)聚焦，而聚焦太弱則會(huì)導(dǎo)致束流橫向尺寸過(guò)大而無(wú)法順利從較小陽(yáng)極孔引出。電子槍射程指的是出口至焦點(diǎn)即束腰位置的距離。拉長(zhǎng)射程可以為后續(xù)元件提供更為充足的裝配空間，從而有望獲得更高的束流品質(zhì)。另外，束腰處的橫向尺寸說(shuō)明聚束的效果，而橫向發(fā)射角代表束流的層流性。束流層流性越好，橫向相空間越接近一條直線，則束腰處的發(fā)射角也越小。

陰極面大小對(duì)束流的影響如表1所示。

表1 陰極面大小對(duì)束流的影響

由表1可知，陰極面的大小會(huì)對(duì)束流特性產(chǎn)生明顯的影響。束流軌跡投影如圖1所示。

圖1 束流軌跡投影圖

陰極太小，束流容易過(guò)聚焦。如圖1(a)所示，束腰位置處束流發(fā)散角較大，導(dǎo)致束流聚焦后迅速發(fā)散，嚴(yán)重影響層流性。但陰極太大會(huì)使得束流發(fā)散，使得部分粒子打在電子槍壁上或者在出口處被卡掉，不能完全引出，如圖1(c)所示。因此，為了引出高品質(zhì)的束流，需要選擇適中的陰極面大小，保證引出束流有較好的層流性和較遠(yuǎn)的射程，如圖1(b)所示。

2.1.2 電子槍曲面陰極曲率的影響

對(duì)于聚焦不充分導(dǎo)致束流無(wú)法正常引出的情況，可以采用曲面陰極，使得粒子在引出時(shí)就具有橫向初速度，從而增強(qiáng)束流聚焦效果。電子槍采用曲面陰極，并改變其曲率半徑。觀察束流變化情況，發(fā)現(xiàn)其曲率半徑從50 mm變化到80 mm,束流一直處于過(guò)聚焦?fàn)顟B(tài)，且聚焦位置都在電子槍出口前。因此，使用曲面陰極容易使得束流因過(guò)早聚集而發(fā)散嚴(yán)重，不能完全引出；同時(shí)，通過(guò)改變陰極面的曲率半徑，發(fā)現(xiàn)束流變化很小，要成功引出所需的電子束則需綜合調(diào)整電子槍的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1.3 電子槍聚焦極角度的影響

為了克服電子束由于空間電荷效應(yīng)導(dǎo)致的發(fā)散，在陰極和陽(yáng)極之間增加了一個(gè)聚焦極，通過(guò)改變電子槍中電場(chǎng)的分布，使橫向聚焦力增強(qiáng)。而聚焦極的形狀、大小和位置都會(huì)影響電場(chǎng)的分布，從而影響電子束聚焦和引出。尤其是聚焦極的角度對(duì)聚焦效果起著決定性的作用。當(dāng)聚焦極角度分別為43.83°、43.15°和42.27°時(shí)，電子束分別處于發(fā)散、能正常引出和過(guò)聚焦?fàn)顟B(tài)。由此可知，聚焦極角度的細(xì)微變化對(duì)光束的包絡(luò)和品質(zhì)都有很大的影響。聚焦角過(guò)大則聚焦不足，導(dǎo)致電子束不能充分引出。反之，聚焦角過(guò)小會(huì)造成聚焦力過(guò)大，使得電子束過(guò)早聚焦而發(fā)散嚴(yán)重。因此，需要精準(zhǔn)調(diào)節(jié)聚焦極角度以找到最佳尺寸。另外，聚焦極和陰極具有相同的負(fù)高壓，使得聚焦極邊緣角落的場(chǎng)強(qiáng)非常大，容易出現(xiàn)打火現(xiàn)象。因此，對(duì)聚焦極的邊緣進(jìn)行倒角對(duì)于降低尖銳處的場(chǎng)強(qiáng)很重要。

2.1.4 電子槍陽(yáng)極鼻錐長(zhǎng)度的影響

為了從一個(gè)小的陽(yáng)極孔中成功引出束流，本文將陽(yáng)極設(shè)計(jì)為一個(gè)朝向電子槍內(nèi)部的鼻錐。鼻錐的形狀和長(zhǎng)度可以改變電子槍內(nèi)的場(chǎng)分布，尤其是陽(yáng)極孔附近的場(chǎng)特性，從而影響徑向聚焦力的作用。這對(duì)電子束聚焦特性有著明顯的影響。改變鼻錐的長(zhǎng)度后，分別仿真計(jì)算其引出束流的特性狀態(tài)。陽(yáng)極鼻錐長(zhǎng)度對(duì)束流的影響如表2所示。由表2可知，鼻錐長(zhǎng)度為11.5 mm時(shí)束流會(huì)過(guò)聚焦，發(fā)散角較大，導(dǎo)致束流引出后會(huì)立即發(fā)散；鼻錐長(zhǎng)度為11.8 mm和 12.0 mm時(shí)，束流能正常引出并且層流性較好。但是，當(dāng)鼻錐長(zhǎng)度為12.2 mm時(shí)，電子束會(huì)發(fā)散嚴(yán)重從而無(wú)法完全引出，造成部分粒子丟失在鼻錐和陽(yáng)極孔內(nèi)壁。由仿真結(jié)果可知，鼻錐長(zhǎng)度變化0.2 mm對(duì)束流狀態(tài)的影響都非常大。因此，要成功引出高質(zhì)量的電子束，需適當(dāng)匹配鼻錐的長(zhǎng)度。

表2 陽(yáng)極鼻錐長(zhǎng)度對(duì)束流的影響

2.2 優(yōu)化的電子槍結(jié)構(gòu)

綜合以上分析，考慮不同電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)束流的影響，為了得到穩(wěn)定性、層流性較好的束流，本文采用平面陰極，通過(guò)微調(diào)陰極尺寸、聚焦極角度和陽(yáng)極鼻錐深入長(zhǎng)度，能成功引出流強(qiáng)為4 A、束腰半徑小于1 mm且層流性較好的束流。電子槍引出的電子束分布特性如圖2所示。束流軌跡投影如圖2(a)所示。圖2(b)～圖2(e)是束流分別在縱向位置30 mm和束腰位置70 mm處的橫向尺寸和相空間分布。由圖2可知，束流層流性較好，則束腰橫向尺寸小于1 mm。

圖2 電子槍引出的電子束分布特性

圖2對(duì)應(yīng)的電子槍結(jié)構(gòu)如圖3所示。電子槍內(nèi)部的表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度為3.0E6 V/m，沒(méi)有超過(guò)打火閾值。 綜上所述，本文優(yōu)化的電子槍結(jié)構(gòu)從層流性等方面提高了束流品質(zhì)，為電流量子化所需的高品質(zhì)單電子流研究提供了優(yōu)化的束源結(jié)構(gòu)。

圖3 電子槍結(jié)構(gòu)圖

3 傳輸線的優(yōu)化

3.1 邊緣磁場(chǎng)的影響

由于強(qiáng)流低能電子束空間電荷效應(yīng)明顯，其從電子槍引出后橫向發(fā)射度會(huì)增長(zhǎng)并導(dǎo)致束流發(fā)散。因此，一般會(huì)在傳輸線上的適當(dāng)位置添加聚焦螺線管線圈對(duì)束流進(jìn)行聚束，從而克服束流空間電荷效應(yīng)及其他各種原因?qū)е碌氖鳈M向發(fā)射度增長(zhǎng)。當(dāng)空間中沒(méi)有其他的微波場(chǎng)，考慮束流的空間電荷效應(yīng)，則束流包絡(luò)方程可以表示為[18]：

(1)

式中：r為束流橫向包絡(luò)，m；z為縱向坐標(biāo)，m；e為電子電荷量常數(shù)；I為束流流強(qiáng)，A；m0為電子靜止質(zhì)量；β為電子相對(duì)速度；γ為電子相對(duì)能量；c為光速；ε0為束流初始發(fā)射度，mmmrad；rs為束流初始橫向尺寸。

因?yàn)槭?1)中第二項(xiàng)系數(shù)滿足式(2)，所以束流在沒(méi)有聚束元件的情況下會(huì)由于空間電荷效應(yīng)發(fā)散。根據(jù)式(2)可知，束流流強(qiáng)越大，初始橫向尺寸和橫向發(fā)射度越小，束流空間電荷力越大，束流發(fā)散越嚴(yán)重。

(2)

當(dāng)外加螺線管線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)。電子在縱向磁場(chǎng)中會(huì)受到洛倫茲力的作用。洛倫茲力徑向分量Fr和角向分量Fθ分別為：

(3)

(4)

根據(jù)式(3)和式(4)可知，電子在角向分量Fθ的作用下沿z軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)還受到徑向分量Fr的作用沿中心軸作輻向運(yùn)動(dòng)。所以電子在螺線管線圈磁場(chǎng)作用下會(huì)邊旋轉(zhuǎn)邊聚焦，呈聚焦螺旋趨勢(shì)。

忽略束流聚焦過(guò)程中形成的軸向電場(chǎng)和束流旋轉(zhuǎn)引起的軸向磁場(chǎng)，假設(shè)相對(duì)能量γ為常數(shù)，則束流在磁場(chǎng)中的橫向運(yùn)動(dòng)包絡(luò)方程可以寫(xiě)為[19]：

(5)

式中：B(z)為螺線管產(chǎn)生的縱向磁場(chǎng)，是z的函數(shù)，T；ε為束流初始發(fā)射度，mm·mrad；μ0為真空磁導(dǎo)率。

根據(jù)式(5)可以計(jì)算束流在一定強(qiáng)度的聚焦磁場(chǎng)下的束流橫向尺寸包絡(luò)，另外也可反推一定束流包絡(luò)尺寸下所需的聚焦磁場(chǎng)強(qiáng)度。

當(dāng)加螺線管線圈產(chǎn)生聚焦磁場(chǎng)時(shí)，往往會(huì)有邊緣場(chǎng)泄漏到電子槍中，導(dǎo)致電子在磁場(chǎng)的作用下旋轉(zhuǎn)，破壞束流的品質(zhì)。聚焦磁場(chǎng)下束流軌跡投影如圖4所示。

圖4 聚焦磁場(chǎng)下束流軌跡投影圖

當(dāng)在距離電子槍陽(yáng)極出口410 mm處設(shè)置一個(gè)適當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的螺線管線圈時(shí)，整體束流分布如圖4(a)所示。其中，電子槍內(nèi)局部束流分布如圖4(b)所示。與圖2(a)對(duì)比可知，圖4(b)所示束流層流性被破壞，出現(xiàn)過(guò)聚焦的狀態(tài)。這是因?yàn)樾孤┑诫娮訕尩倪吘壌艌?chǎng)使得束流旋轉(zhuǎn)聚束，從而破壞了束流的品質(zhì)。

3.2 邊緣磁場(chǎng)的解決方案

為了解決邊緣磁場(chǎng)對(duì)電子槍引出束流的影響，目前一般采用加反抵線圈抵消電子槍內(nèi)的磁場(chǎng)，或者增加屏蔽殼屏蔽泄漏到電子槍部分的磁場(chǎng)。以下對(duì)這兩種方法進(jìn)行比較分析。不同情況下的磁場(chǎng)分布曲線如圖5所示。陰極表面束流橫向相空間分布如圖6所示。

圖5 不同情況下的磁場(chǎng)分布曲線

圖6 陰極表面束流橫向相空間分布

3.2.1 加屏蔽殼

磁場(chǎng)屏蔽的原理是利用高磁導(dǎo)率材料的小磁阻,當(dāng)把用高磁導(dǎo)率材料制作的屏蔽模型放于干擾磁場(chǎng)，大部分磁密線會(huì)處于高磁導(dǎo)率材料的介質(zhì)中，而泄漏到空氣中的磁密線很少，從而達(dá)到磁場(chǎng)屏蔽的作用[20]。為了減少螺線管線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)泄漏到電子槍內(nèi)，可以在螺線管線圈外面加一層屏蔽殼。

屏蔽殼材料采用的是高磁導(dǎo)率材料，使得磁場(chǎng)大部分被限制在殼內(nèi)，磁場(chǎng)在殼外驟降，從而減弱邊緣磁場(chǎng)對(duì)束源部分束流品質(zhì)的影響。加屏蔽殼后電子槍內(nèi)局部束流分布如圖4(c)所示。加屏蔽殼線圈的磁場(chǎng)下，陰極表面束流橫向相空間分布如圖6(b)所示。其與不加磁場(chǎng)時(shí)引出的束流分布和特性幾乎相同，說(shuō)明邊緣磁場(chǎng)對(duì)電子槍引出束流的影響可忽略不計(jì)。

3.2.2 加反抵線圈

除了加屏蔽殼消除邊緣場(chǎng)的影響，還可以通過(guò)在合適的位置增加反抵線圈，產(chǎn)生與聚焦磁場(chǎng)相反方向的磁場(chǎng)，從而抵消邊緣場(chǎng)以消除其對(duì)束流的影響。添加反抵線圈的磁場(chǎng)分布可見(jiàn)圖5，其磁場(chǎng)只在電子槍附近處減小。這種方法可以對(duì)結(jié)構(gòu)有針對(duì)性地消除邊緣磁場(chǎng)的影響，而不會(huì)影響其他位置磁場(chǎng)的分布。加反抵線圈的磁場(chǎng)下，陰極表面束流橫向相空間分布如圖6(c)所示。其與不加磁場(chǎng)時(shí)相近，說(shuō)明在反抵線圈的作用下能夠?qū)⑦吘増?chǎng)減小到理想值，不會(huì)影響束流的品質(zhì)特性。

同時(shí)加屏蔽殼和反抵線圈的磁場(chǎng)分布可見(jiàn)圖5。同時(shí)加屏蔽殼和反抵線圈的磁場(chǎng)下，陰極表面束流橫向相空間分布如圖6(d)所示。其也與不加磁場(chǎng)時(shí)的束流特性基本一致。

圖6比較了加螺線管線圈的磁場(chǎng)、加屏蔽殼線圈的磁場(chǎng)、加反抵線圈的磁場(chǎng)和同時(shí)加屏蔽殼和反抵線圈的磁場(chǎng)這四種情況下的相空間分布，可以發(fā)現(xiàn)分別加屏蔽殼和反抵線圈或者兩者都加時(shí)的磁場(chǎng)下陰極表面束流橫向相空間均與未加磁場(chǎng)時(shí)非常相近，并且發(fā)射度改善了近20%。這說(shuō)明三種方法都能有效解決邊緣場(chǎng)的影響。但是為了節(jié)省空間和成本、保證裝置的緊湊性，可以選擇只加屏蔽殼來(lái)消除邊緣場(chǎng)對(duì)束流的影響。

3.3 磁場(chǎng)偏移的影響

線圈安裝時(shí)的準(zhǔn)直誤差會(huì)引起磁場(chǎng)與電子束不同軸，從而影響束流的狀態(tài)和品質(zhì)，造成實(shí)際參數(shù)與設(shè)計(jì)要求不相符。因此，有必要分析磁場(chǎng)位置和角度偏差的影響。仿真計(jì)算磁場(chǎng)的軸線與束流傳輸軸線的偏移位置和角度對(duì)束流的影響，并用束流包絡(luò)中最大半徑和束腰半徑表示束流狀態(tài)。磁場(chǎng)對(duì)束流尺寸的影響如圖7所示。

圖7 磁場(chǎng)對(duì)束流尺寸的影響

由圖7可知，隨著偏移位置和角度的增大，束流在聚焦磁場(chǎng)的作用下束腰半徑和最大束流半徑都有較明顯的變化，并且角度偏移帶來(lái)的影響更加顯著。因此，為了保證束流的穩(wěn)定性，在機(jī)械安裝上要盡量減小準(zhǔn)直誤差，并保證裝置的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文在有關(guān)研究人員提出的利用電子加速器實(shí)現(xiàn)電流量子化這一新方法的基礎(chǔ)上，總結(jié)了該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是獲得穩(wěn)定的準(zhǔn)單電子流的結(jié)論。因此，基于現(xiàn)有束源裝置，本文提出了電子槍以及傳輸線的優(yōu)化方案。首先，通過(guò)仿真計(jì)算分析電子槍各結(jié)構(gòu)參數(shù)(如陰極大小和曲率、聚焦極角度和陽(yáng)極鼻錐長(zhǎng)度等)對(duì)引出電子束流品質(zhì)的影響，再綜合考慮各結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)出滿足要求的電子槍。該電子槍能成功引出層流性較好的高品質(zhì)束流。其次，考慮到聚焦磁場(chǎng)的邊緣磁場(chǎng)會(huì)破壞電子束源的束流品質(zhì)，比較分析了加屏蔽殼和反抵線圈兩種解決方案，有效解決了邊緣磁場(chǎng)的影響，使得束流在陰極表面的相空間與不加磁場(chǎng)時(shí)基本一致。最后，為獲得高穩(wěn)定束流，考慮到機(jī)械安裝與校準(zhǔn)上的誤差，分別分析了磁場(chǎng)位置和角度偏移對(duì)束流的影響，發(fā)現(xiàn)其對(duì)束流尺寸和品質(zhì)的影響較大，尤其對(duì)角度偏移誤差影響顯著。所以在安裝上需要盡量減小機(jī)械安裝誤差，并保持裝置的穩(wěn)定。

綜上所述，對(duì)基于電子加速器實(shí)現(xiàn)電流量子化這一新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，本文從電子束源的角度提供了優(yōu)化方案，也為未來(lái)進(jìn)一步的理論和工程研究提供了新思路。由于本研究目前仍處于理論仿真設(shè)計(jì)階段，未來(lái)還需要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)進(jìn)一步完善，從而得到滿足電流量子化所需的高品質(zhì)單電子流。