周期场聚焦电子束

引言 自从发现“强聚焦效应”可以应用在粒子加速器内以后,人们知道利用周期磁场能把离子束控制得更细,于是可以减少磁铁的需要量。因此近年来为了改建或新设计各种类型粒子加速器,对周期场聚焦离子束或电子束方面曾进行了很多研究工作。另一方面人们也开始研究用周期电场和磁场聚焦各种电子管内的电子束,例如行波管内电子束的聚焦等。聚焦电子束的主要特点在於必要考虑空间电荷。     

准矩形截面强流相对论带状电子束的传输

提出利用准矩形截面带状电子束传输强电流.相对于目前广泛采用的椭圆形截面带状电子束,在大横纵比,即电子束的宽度(横向)远大于厚度(纵向)的情况下,其厚度沿横向更加均匀,利用冷阴极爆炸发射容易产生.该电子束利于高功率微波发生器中腔体模式的控制和束波作用效率的提高,如果利用模块化的结构还可使阴极及聚焦磁铁在宽度上的扩展更加容易.首先给出了准矩形截面带状电子束空间电荷场的典型分布,然后根据该分布和束匹配的方法对相互独立的周期会切磁铁和边聚焦磁铁分别进行了设计.其中边聚焦磁铁的磁化方向与以往的纵向不同,为横向磁化,其激励的边聚焦磁场在电子束宽边的边缘附近的梯度更大,有利于横向的束匹配.最后根据理论分析的结果进行了粒子模拟.结果表明,300keV,3kA的准矩形截面强流相对论带状电子束可以在0.163T的周期会切磁场和0.064T的横向磁化边聚焦磁场中稳定传输,电流传输效率大于98%.     

超短电子脉冲在聚焦强激光场中的三维有质动力散射

采用三维测试粒子模拟(test-padicle simulation)的方法，研究了聚焦的飞秒脉冲强激光与超短电子束进行有质动力的散射过程.详细讨论了超短电子束经过不同激光延迟下有质动力散射的空间分布特征和能谱特征.提出了通过测量电子束的空间分布和能谱分布实现对超短脉冲电子束的脉冲宽度测量的方法. 关键词： 有质动力散射 聚焦的飞激光 飞秒电子束     

微波电子回旋共振等离子体阴极电子束的实验研究

介绍了实验室研制的微波电子回旋共振(ECR)等离子体阴极电子束系统及初步研究结果，该系统包括微波ECR 等离子体源、电子束引出极、聚焦线圈等。通过测量水冷靶电流和靶上的束斑尺寸，实验研究了微波ECR 等离子体阴极电子束的流强、聚束性能等随电子束系统工作条件的变化。结果表明：微波输入功率越高、引出电压越高，引出电子束流强越大；工作气压对电子束流强的影响较复杂，随气压增加呈现出先降低后升高的特点；在7×10⁻⁴Pa 的极低气压下电子束流强可达75mA，引出电压9kV；能量利用率可达0.6；调整聚焦线圈的驱动电流，电子束的束斑直径从20mm 减小到13mm，电子束流强未有明显变化。     

周期会切磁场聚焦强流相对论带状电子束的理论分析和粒子模拟

对低幅值、短周期、有偏置磁极的周期会切磁场中300 keV,3 kA带状电子束的传输进行了理论分析和粒子模拟。给出了将波导宽度考虑在内的轴向均匀带状电子束的空间电荷场和作用在有限厚度的带状电子束的短边和宽边上的聚焦力的表达式,并利用束匹配的方法得到了磁场的幅值和周期,以及电子束通道的宽度和高度等参数。最后根据理论计算的结果进行了3维粒子模拟验证,结果表明:束宽边上聚焦良好,而在短边上带状电子束的轴向有限长效应使得聚焦力与散焦力沿轴向不能完全匹配,在束包络上产生了Betatron振荡,但在300 mm的距离上传输效率仍能达到98%以上,说明有偏置磁极的周期会切磁场聚焦强流带状电子束在理论上是可行的。     

强流电子束聚焦数值模拟

采用粒子模拟（PIC）方法模拟了强流电子束在薄磁透镜中的聚焦。建立了强流电子束的聚焦模型,模拟了神龙一号加速器某次实验的结果,得到的模拟结果非常接近实验值,证明采用建立的PIC模型模拟强流束经过磁透镜时的聚焦是可信的。应用此模型模拟了电子束参数（入射半径、发射度、能散度、相位角等）对焦斑直径的影响, 结果表明:在模拟条件下,电子束平行入射时最佳束包络半径位于20.0~22.5 mm;发射度和能散度对焦斑直径的影响和理论公式吻合得较好;只有入射电子束包络半径和相位角匹配时才能得到小的焦斑直径。     

离化靶中多脉冲强流电子束的不稳定性

多脉冲强流电子束轰击轫致辐射靶,在靶面形成等离子体层,将对后续电子束脉冲的稳定性产生影响。从基本等离子理论出发,利用成熟的等离子体粒子模拟程序计算在不同等离子条件下电子束流的稳定性。模拟显示在无外场情况下,当等离子体与电子束的密度比小于1时,能量20 MeV、束流强度2.5 kA、焦斑1.5 mm的电子束出现腊肠不稳定性,但相对靶面焦点区而言,束流稳定;当密度比在1~100时,箍缩不稳定性能够改善电子束的聚焦;当密度比在100~1000时,扭曲不稳定性起主导作用,靶面焦点区电子束流仍然稳定;当密度比大于1000后,成丝不稳定性破坏束流,电子束无法在靶面聚焦。     

电子束曝光技术

近十几年以来,国内外广泛地进行了电子束技术在工业中的应用研究.其中,一部分已经成功地用于实际生产中,例如:电子束蒸发、电子束焊接以及利用扫描电子显微镜观察材料及器件特性等. 随着科学技术的发展,国内外对于电子束技术在微电子器件制造中的应用也相当重视.一些技术比较先进的国家大都已开展了电子束曝光技术的研究试制工作,并已取得成果.下面我们就讨论电子束曝光技术中的一些问题. 所谓电子束曝光就是利用电子加速系统将电子加速,并通过电磁透镜将其聚焦成细束,然后利用电磁场控制该束在工件上扫描以制出所需要的图案.这里我们所指的…     

12MeV直线感应加速器轫致辐射靶靶面回流离子测量

强流直线感应加速器（LIA）能够产生2—3kA、10-20MeV、约80ns（FWHM）的强流高功率的脉冲电子束，经过数十米的传输、聚焦成毫米量级的束斑后打击到轫致辐射靶上，来产生高剂量的X光。同时电子束打靶使靶面沉积大量的能量导致靶面的温度骤然升高，引起靶表面物质或杂质（如碳、氢、水蒸气与靶材料等）被汽化电离而产生等离子体。强流电子束在靶前附近产生的强空间电荷电场（场强可达MV／cm）把离子从靶面拉出，以逆着电子束的方向前进，被称为回流离子。人们提出回流离子与电子束发生作用，会导致电子束被提前聚焦，在预定的靶面形成散焦。     

相对论电子束在离子通道中的聚焦与输运

 基于单粒子理论,描述了相对论电子束在离子通道中的聚焦输运过程,讨论了离子-电子密度比、相对论因子、束加速电压和入射电流等系统参数对电子束的聚焦半径、纵向聚焦位置的影响。研究表明,离子通道对电子束具有强烈的聚焦效应,束流在离子通道内的传输是类周期波动传输,随传输距离增加,聚焦点处的半径逐渐增加,束流的波动幅度逐渐减小。选择适当的系统参数,可调节束聚焦点位置和聚焦点半径的大小,实现电子束的长距传输并且减少电子束的耗散。     

CSR电子冷却系统强流电子束包络的振荡特性

 HIRFL CSR的电子冷却系统是采用强流电子束对重离子束进行冷却。在冷却段漂移管区，由于强流电子束自身的空间电荷场和螺线管磁场的作用，使得电子束的包络发生振荡。通过求解电子束的横向包络方程，研究了强流电子束包络随电子束参数和螺线管聚焦磁场的变化关系。计算结果表明：对于不同的电子束能量和磁场，电子束包络的振荡频率也不相同；在相同的条件下，磁场越强，电子束包络振荡幅度越小，电子束能量越大，其包络的振荡频率也越快。     

空间电荷主导电子束的纵向聚焦设计

在空间电荷主导电子束研究中,纵向聚焦非常重要,在输运过程中由于强空间电荷力的影响,束团将很快变长并崩溃,马里兰大学的电子环设计用于方形束团和抛物线形束团的研究,环中需要用三个感应腔对束团进行纵向聚焦.文中首先介绍了方形束团和抛物线形束团的纵向束流动力学,推导了两种束团纵向聚焦所需要的5MHz重复率高压脉冲波形,并给出了实现纵向聚焦的感应腔设计及其特殊要求.     

箔聚焦强流相对论环形束在同轴波导中的传输

 结合箔聚焦和静电线聚焦的特点,对箔聚焦强流相对论环形电子束在同轴波导中的传输进行了研究。通过数值求解电势满足的泊松方程,得到电势、电场分布及系统的空间电荷限制流,并根据电子的运动方程得到包络电子的平衡条件及其运动轨迹。     

半导体量子阱材料微加工光子晶体的光学特性

利用聚焦离子束刻蚀方法和电子束制版结合干法刻蚀方法制备了二维近红外波段光子晶体，发现两种方法都可以制备出均匀的二维光子晶体，聚焦离子束方法操作简单，电子束制版结合干法刻蚀方法操作步骤复杂.光谱测试表明，利用聚焦离子束方法在有源材料上刻蚀的光子晶体不发光，而电子束制版结合干法刻蚀方法制备的小晶格常数光子晶体即使有些无序，其出光效率也提高到没有光子晶体时的两倍.对两种方法所加工的光子晶体不发光和提高出光效率的机理进行了分析. 关键词： 聚焦离子束 电子束制版 光子晶体 出光效率     

天鹅绒阴极产生的双脉冲强流相对论电子束特性实验研究

在时间分辨的模式下, 实验研究了天鹅绒阴极产生的双脉冲相对论强流电子束的束心运动、束包络和束的发射度. 在实验中, 电子束流强度和电子束心运动用电阻环进行测试, 而电子束和石英玻璃的相互作用产生的契仑科夫辐射用来给出电子束包络和发射度信息. 电子束和石英玻璃作用产生的契仑科夫辐射用1台8幅分幅相机记录. 实验结果表明, 天鹅绒阴极产生的相对论强流双脉冲电子束在束流大小、束心运动轨迹、束包络及束发射度等方面具有较好的一致性.     

利用概率分布计算电子束聚焦状态

世界各国的学者对电子束的聚焦性能已经做了广泛的研究,提出了许多分析电子束聚焦性能的方法,在这些方法的基础上,试图利用概率分布函数来描述电子束的聚焦过程。该方法将电子的发射看做是随机过程,并从轨迹的落点的概率分析了电子束的形状和大小,避免了杂散小峰的影响。     

神龙一号轫致辐射靶靶区回流离子测量

神龙一号直线感应加速器(LIA)产生的强流高功率的脉冲电子束与X光转换靶作用后可以产生高剂量的X光,同时由于转换靶的被烧蚀破坏在靶面产生回流离子,该回流离子的存在影响到电子束的聚焦。设计了4套法拉第筒及其对应的偏压电路,法拉第筒被放置在神龙一号X光转换靶上游不同位置,分布在电子束轴线两侧,电路设计最高偏压为1 kV;对神龙一号LIA的X光转换靶面产生的回流离子进行了实验测量,分别得到回流正离子密度约在1021/m3,离子运动速度可达2～3 mm/s。计算比较表明,该离子流强度与神龙一号靶前电子束流相差很大,只有电子束流强的0.27%,对神龙一号电子束聚焦不会造成影响。     

交变极性聚焦磁场抑制Corkscrew运动的机理

 分析了对强流相对论电子束采用交变极性聚焦磁场聚焦存在稳定解的条件,提出了采用交变极性聚焦磁场抑制Corkscrew运动的机理.数值计算结果表明,在采用交变周期为1m、峰值磁场设为0.2T的情况下,对于能量为12MeV的电子束,当聚焦布局长度为2.8m时,束质心位移可从5mm（始端）被抑制至近似0 (终端);对于能量为20MeV的电子束,当聚焦布局长度为4.5m时,束质心位移可从5mm（始端）被抑制至近似0(终端)。     

多聚焦极栅控电子模拟源的研究

采用电子光学软件设计模拟了一种长焦距多聚焦级的电子枪结构.利用电子透镜原理分析多聚焦极电子枪的电子束斑产生,依据不同栅控电压,分析零场模式、拒斥场模式和肖特基场模式3种阴极电子发射方式下电子聚焦情况.模拟结果表明:拒斥场模式和肖特基场模式对电子束流密度分别有减弱和增强的作用;当聚焦极电压比U1∶U2∶U3∶U4∶U5=5∶8∶15∶70∶100时,能量为30keV的电子束焦斑最小,在10m处焦斑大小为160mm.     

用集团运动的观点来研究回流离子问题

建立在单粒子运动学基础上的回流离子理论预测: 强流电子束轰击在 辐射转换靶上可能产生正离子. 这些离子在电子束空间电荷场作用下 回流, 会造成电子束过聚焦, 改变焦斑大小, 从而影响X光机的照相分辨率. 然而大量的实验没有发现相关的现象. 本文分析认为, 电子束 打靶时, 在靶表面可能会形成离子鞘层过渡区. 该区域可以抵消束流空间 电荷场对回流离子的驱动作用, 因此, 回流离子可能以等离子体集团扩散的 方式运动. 这种物理图像得到的结论是离子对聚焦的影响可忽略, 和已有的 实验结果相吻合.