電子束發(fā)生原理.doc

束流強度達(dá)幾十萬以至上百萬安培的束流。它比通常加速器的束流密度高幾萬倍以至幾十萬倍。20世紀(jì)60年代初期,由于模擬核爆炸條件下射線輻照效應(yīng)和X射線照相的需要，強流脈沖電子束加速器得到了迅速發(fā)展，70年代后，由于粒子束慣性約束聚變、電子束抽運氣體激光器、電子束產(chǎn)生高功率微波等研究工作的要求，研制了低電壓大電流的電子束加速器，并在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上獲得了強流脈沖離子束。1984年已能產(chǎn)生1MeV、1MA的輕離子束，強流脈沖電子束也達(dá)到了如下的技術(shù)水平： 電子能量 0.3MeV12MeV 電子束流 10kA5MA 脈沖寬度 10ns100ns 總束能 1kJ5MJ 功率 1011W31013W 這些束流之特點是束流能量大、功率高、電流大、時間寬度窄。這種基于物理學(xué)和電工學(xué)相結(jié)合的高功率脈沖技術(shù)是一門新的前沿科學(xué)技術(shù)，近年來發(fā)展極為迅速，已成為研究高溫高壓等離子體物理的重要工具，它在經(jīng)濟(jì)和軍事應(yīng)用方面有著廣闊的前景。 強流脈沖電子束的產(chǎn)生 強流脈沖電子束加速器主要由三個部分組成，即沖擊電壓發(fā)生器、脈沖成形線與脈沖傳輸線和場致發(fā)射二極管。從沖擊電壓發(fā)生器輸出的微秒級上升時間的高壓脈沖經(jīng)脈沖成形線成形為幾十納（10-9)秒上升時間的高壓脈沖，并由傳輸線輸運至場致發(fā)射二極管，二極管起著將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮邮哪芰康淖饔谩?沖擊電壓發(fā)生器 見脈沖倍壓發(fā)生器之圖2。沖擊電壓發(fā)生器的工作原理是對電容器組并聯(lián)充電串聯(lián)放電，獲得脈沖高壓輸出，減小沖擊電壓發(fā)生器電感，可縮短輸出高壓脈沖的上升時間。電容器的排列有Z型、S型和混合型等，采取正、負(fù)充電線路，可使火花球隙數(shù)目減少一倍。 LC反轉(zhuǎn)沖擊電壓發(fā)生器的電感小，輸出脈沖上升時間短，但當(dāng)所有球隙不能在同一時間內(nèi)擊穿時，過電壓會把電容器擊穿。 脈沖成形線和脈沖傳輸線 如圖1所示。沖擊電壓發(fā)生器輸出的電壓脈沖，對脈沖成形線充電，當(dāng)電壓充至一定值時主開關(guān)接通，成形線中開始了波過程,經(jīng)過時間在成形線末端產(chǎn)生時間寬度為的高壓脈沖加在場致發(fā)射二極管上。L為成形線長度,為光速,為成形線介質(zhì)的介電常數(shù)，也可以通過變阻抗傳輸線加到二極管上，以達(dá)到升壓或降壓的目的。脈沖成形線和脈沖傳輸線中充以去離子水或變壓器油，對于亞微秒充電時間的高壓脈沖，水是很好的絕緣介質(zhì)，水的儲能密度大、價廉，發(fā)生電擊穿后能很快恢復(fù)不留痕跡?？筛鶕?jù)T.H.馬丁的經(jīng)驗公式來考慮脈沖成形線和脈沖傳輸線的絕緣要求。 強流電子束二極管 陰極表面細(xì)微的針尖狀結(jié)構(gòu)，使場強增大約100倍，趨于108V/cm，由此引起的電流的增強造成陰極上微小尖端的蒸發(fā)，蒸發(fā)物的電離形成陰極等離子體，并從中發(fā)射電流，陰極等離子體的前沿以14104m/s的速度向陽極運動，隨著束流的增強，在陽極上吸附的氣體釋放出來并被電離，形成陽極等離子體，它以約1104m/s的速度向陰極運動。 描述二極管中電子束流特性的一個重要物理量是v/ 值，v是單位長度上電子數(shù)目乘電子經(jīng)典半徑，IA稱為阿爾文電流。 低v/ 值二極管阻抗可由蔡爾德朗繆爾公式描述，平行板二極管阻抗為 式中V以兆伏為單位,R是二極管半徑，d是陰陽極間隙距離，以厘米為單位， 是陰極等離子體運動速度，以厘米秒為單位，Z以歐姆為單位，K(V)是隨著V而增長的函數(shù)，對于非相對論性束流K(V)136。 當(dāng)二極管中電流超過了臨界電流值時，電子軌跡開始箍縮，這時電子的拉莫爾半徑等于電子束半徑的一半，并等于陰陽極之間的間距。 在高v/ 值的二極管中，當(dāng)達(dá)到臨界電流值時，束流開始箍縮，實驗觀察到箍縮主要在脈沖的后一段時間內(nèi)形成，并以(15)106m/s的徑向崩塌速度進(jìn)行，它比等離子體膨脹速率大一個半到二個數(shù)量級，這是由于陽極等離子體中的正離子向陰極運動，改變了空間電荷分布，增大了二極管電流，從而使箍縮進(jìn)一步發(fā)展。 箍縮發(fā)生后，二極管阻抗大致和順位流模型的計算值相符。箍縮的結(jié)果使電子向二極管的軸線方向移動。由于空間電荷的堆積，造成陰極中心部分軸向電場的減小，從而降低了陰極中心區(qū)域的電子發(fā)射，過剩的空間電荷使得等位面分布接近錐形。電子沿錐形等位面運動。等位面的法線方向和磁場方向垂直。因而向外的電場力和向內(nèi)的自磁場力方向相反。空間電荷堆積一直繼續(xù)到作用在電子上的凈力為零。于是從陰極邊界處發(fā)出的電子沿等位面作凈力為零的運動。按順位流模型可得 進(jìn)一步考慮陰極和陽極表面上存在的等離子體對箍縮所起的作用，建立了聚焦流模型，按照該模型聚焦束流為 強流離子束的產(chǎn)生 在雙極性流的情況下，質(zhì)子流和電子流密度滿足方程 式中x是陰陽極之間距離，V是陰陽極間隙上的電壓，o是空氣介電常數(shù)，e是電子電荷,mp是質(zhì)子質(zhì)量。電子流密度約為質(zhì)子流密度的43倍，強流離子二極管的工作原理是利用電場或磁場抑制電子到達(dá)陽極，使二極管的能量大部分為離子所帶走，現(xiàn)有的離子二極管有三種類型： 反射型二極管 從陰極射出的電子穿過薄陽極靶后，遇到一個反向電場，使電子減速并回轉(zhuǎn)，重新穿過陽極靶，然后陰陽極之間的電場又將電子拉向陽極。若靶上涂以某種有機物,由于電子來回穿過陽極靶,在靶上產(chǎn)生離子并向陰極運動（圖2）。反射型二極管產(chǎn)生離子效率可達(dá)50，實際上不需要第二個陰極，從陽極穿出的電子的堆積，形成虛陰極。離子流密度和電子流密度之比為 式中Zm是離子的電荷,Mp是離子質(zhì)量，2是散射角的均方值,散射角近似反比于二極管電壓的二次方,離子流密度和二極管電壓的關(guān)系可用7/2次方來描述。 磁絕緣二極管 如圖3所示。外加一個大于臨界磁場Bcr的橫向磁場,偏轉(zhuǎn)電子，使它不能到達(dá)陽極。 式中V是陰陽極之間電壓，d是陰陽極間距。將含氫的有機物薄層附在陽極板上，采用表面閃絡(luò)的技術(shù)使有機物層產(chǎn)生電擊穿，形成等離子體，并從中發(fā)射出質(zhì)子，質(zhì)子從陽極向陰極運動的偏轉(zhuǎn)角，Bcr為實際磁場強度，Bcr是達(dá)到磁絕緣所必須的最小磁場強度,一般的偏轉(zhuǎn)角為12。 磁絕緣二極管的優(yōu)點是在每次放電中陽極不會被損壞，約75的二極管能量可以為離子帶走，在美國桑迪亞國家實驗室Proto-I加速器上獲得能量為0.81.4MeV，電流為360kA的質(zhì)子束。 自箍縮型二極管 如圖4所示。陰極是大縱橫比的圓環(huán)，陽極為一平板，從陰極發(fā)出的電子呈圓環(huán)的形狀，電子轟擊在陽極上形成陽極等離子體，它以約10%m/s的速度向陰極運動，走在前頭的離子流使電子的空間電荷中性化，因而促使電子流增長，當(dāng)電子流超過了臨界電流時箍縮開始，在電子束每一次箍縮的過程中，有更多的等離子體從陽極放出，離子從等離子體中發(fā)出向陰極運動，電子束繼續(xù)箍縮，從陰極圓環(huán)到二極管軸，走了一條彎曲而長的路程，而離子從陽極至陰極卻走了一條比較直的路程，離子流和電子流之比為 式中vcr和vp是平均電子和離子的速度。 束流的傳輸 瑞典物理學(xué)家H.阿爾文研究宇宙射線時指出，帶電高能粒子通過星際空間時的電流極限，星際空間的物質(zhì)認(rèn)為是電離的良好導(dǎo)體,其中電場為零,束流粒子的運動主要取決于束流本身所產(chǎn)生的磁場，可傳輸束流的最大值IA稱為阿爾文電流 但由于本底氣體的電離，造成空間電荷中性化和本底電離氣體中的逆電流中和電流磁場的結(jié)果，可傳輸?shù)氖魍^阿爾文電流值。 均勻電子束流，在部分空間電荷中性化時，可傳輸?shù)淖畲笫?，ni是單位時間內(nèi)單位體積中產(chǎn)生的離子數(shù)，nb是單位時間內(nèi)通過單位面積上的帶電粒子數(shù)。又由于電子束流上升前沿產(chǎn)生的隨時間變化的角向磁場Bcr(t)，而感生的軸向電場Ez(t)，會產(chǎn)生逆向電流Jr(t)Ez(t),為電離的本底氣體的電導(dǎo)率,逆向電流可抵消原束流的磁場,起磁中和的作用，這時可傳輸?shù)淖畲笫?fmJr/Jb稱磁中和因子，表示磁場被中和的程度。 同時考慮到電中和和磁中和時，最大傳輸束流 電子束在傳輸中束截面變化的情況，可用徑向運動方程表示, ，n值的正負(fù)決定了束流截面變化的行為。 W.T.林克曾分析在各種不同氣壓的空氣中電子束的傳輸特性，如下表所示。 離子束通過稀薄氣體的漂移管，氣體被電離產(chǎn)生的電子可以中和離子的空間電荷。在等離子體密度足夠大、電導(dǎo)率足夠高的等離子體通道中，可傳輸高流強的離子束，傳輸距離達(dá)幾米時，能量損失很小，用大型電容器組通過細(xì)鎢絲放電，在氣體中形成狹窄的等離子體通道，放電電流的角向磁場可使離子束或電子束箍縮住，全息照相技術(shù)觀察，發(fā)現(xiàn)在均勻穩(wěn)定的低密度通路外面，是一層溫度較低、密度較高的圓筒狀氣體殼。等離子體通道方法有效地將幾十萬安培的強流電子束或離子束傳輸了幾米。近來也用激光產(chǎn)生的弱的預(yù)電離通道來傳輸粒子束流。 強流電子束和離子束的應(yīng)用 強流粒子束已廣泛地應(yīng)用于核爆炸模擬、大型 X閃光機照相、強功率微波的產(chǎn)生、強中子源的產(chǎn)生、粒子束慣性約束聚變的研究、抽運高功率的氣體激光器（其中以準(zhǔn)分子激光器、二氧化碳激光器和化學(xué)激光器在最近幾年得到迅速發(fā)展），現(xiàn)只敘述在粒子束慣性約束聚變方面的應(yīng)用。 強流粒子束射在球形的靶丸上，靶的結(jié)構(gòu)包括三個部分：燒蝕層。即靶殼的外層部分，絕大部分的束流能量在該層吸收，形成高溫高壓的等離子體；推進(jìn)層。即靶殼的內(nèi)層部分，當(dāng)燒蝕層的高溫高壓等離子體向外膨脹噴射時，靶殼的內(nèi)層部分向內(nèi)作聚心壓縮；燃料。即DT混合物，由于推進(jìn)層的壓縮，將燃料加熱和點燃。 粒子束慣性約束聚變研究中最關(guān)鍵的問題是增大在靶面上粒子束流的功率密度和粒子束在靶上的能量沉積，1976年蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所.魯達(dá)科夫等首次用功率約1011瓦的電子束輻照錐形靶,壓縮