收稿日期：2016-05-24；修回日期：2016-11-22
基金项目：国家863项目（2013AA7023028）
作者简介：张志豪（1988—），男，工程师，研究领域为等离子体技术应用
基金项目：国家863项目（2013AA7023028）
作者简介：张志豪（1988—），男，工程师，研究领域为等离子体技术应用
永磁约束电子束轨迹实验研究
（1. 西安航天动力研究所， 陕西 西安 710100；2. 陕西省等离子体物理与应用技术重点实验室， 陕西 西安 710100）
Experimental study on electron beam trajectory confined by permanent magnet
ZHANG Zhihao1,2, ZHANG Xizhe1,2, DENG Yongfeng1,2, HAN Xianwei1,2
（1. Xi’an Aerospace Propulsion Institute, Xi’an 710100, China;2. Shaanxi Key Laboratory of Plasma Physics and Applied Technology, Xi’an 710100, China）
magnetic confinement; electron beam trajectory; PM; measurement method; experimental study
备注
摘要
全文
图/表
参考文献
通过设计并运用一种直流电子束轨迹简易测量方法，开展了永磁约束电子束轨迹实验研究，得到了永磁铁环对60~80 keV电子束约束作用的实验数据。结果 表明：该测量方法方便有效，结果较为准确；永磁铁对电子束聚焦作用明显，并呈现出一定的规律性。对永磁铁约束电子束研究工作奠定了基础。
A simple measurement method of DC electron beam trajectory was designed. With this measurement method, some experimental studies of trajectory of electron beam confined by permanent magnet (PM) were researched. Some experiment data of PM ring which can restrain the electron beam at 60～80 keV were gotten. The results show that the measurement method is convenient and effective, the results are comparatively accurate, PM have an evident focusing effect on electron beam, and this effect has a certain regularity. It laid a foundation for future farther study on magnetically-confined electron beam by means of permanent magnets.
引言
随着工业和科学技术的发展，电子束已经在高端制造[1-2]、通信[3-4]、医疗、等离子体产生[5-9]等越来越多的领域发挥着重要作用。为了使电子束产生设备能够更广泛更方便地应用于更多的领域，小型轻质化成为必由之路。对于高能量的电子束产生设备，约束磁场大多为电磁线圈，不仅笨重，而且耗能极大。因而具有小体积、低质量、无能耗的永磁铁电子束约束技术成为了该领域的研究热点。
对于磁约束电子束，其中重要一部分是对电子束轨迹的研究，而目前对直流电子束轨迹的测量有效手段不多，传统的电子束轨迹测量方法是用脉冲电子束轰击荧光靶。该方法虽然准确，但直流电子束和脉冲电子束的轨迹仍存在一定差别，不能通过利用脉冲高压加载至被测电子束源产生脉冲电子束模拟直流状态的电子束，且整个测量的操作过程十分繁琐，亟需研究一种新的有效测量方法。本文设计了一种基于电子束烧蚀金属膜片测量电子束轨迹的简易方法，大大提高了测量效率，测量结果也较为准确。
并基于上述测量方法，开展了永磁约束电子束轨迹实验研究，对有无永磁铁、永磁铁位置及加速电压变化对电子束轨迹的影响进行了测量和分析，总结了相应的规律。
1 直流电子束轨迹简易测量方法
在静电场和磁场环境下，电子束的束径在传输通道内不同位置有很大差别，因此要准确测量电子束轨迹，需要对多个位置的束径进行测量，然后再进行描绘。传统的电子束轨迹测量方法是用脉冲电子束轰击荧光靶，并通过观察靶上的轰击痕迹来确定电子束截面尺寸，但这种测量方法在测量直流电子束轨迹时有以下不足：
1）荧光靶能够承受的束流平均功率很低，无法承受强流直流电子束的轰击，只能用于脉冲电子束的测量；
2）很多电子束源的直流和脉冲发射特性并不相同，用测量脉冲束的方法测量直流束，获得的结果会有偏差；
3）荧光靶每次只能测量一个截面位置上电子束形状，测量电子束不同位置上的一组束径必须多次改变测量位置，需要破坏真空环境或引入步进电机等设备。
直流电子束轨迹简易测量方法是在直流电子束传输通道内的不同位置放置一组金属膜片，利用高能电子束烧穿金属膜片后测量烧蚀孔的方式，得到相应位置的束径大小，从而可以通过一次试验描绘出直流电子束的传输轨迹。
下面将介绍测量所需的测量系统以及测量的具体流程。
1.1 测量系统直流电子束轨迹测量系统主要由高压电源、电子束源、电子束轨迹测量轴、真空舱、泵组（旋片泵和分子泵）、法拉第筒和电流表组成。具体测量系统组成如图1所示。
图1 直流电子束轨迹简易测量系统组成
Fig.1 Simple measurement system of DC electron beam trajectory
图2 电子束轨迹测量轴
Fig.2 Measurement axis of trajectory of electron beam其中电子束轨迹测量轴为测量系统的核心部件，其由测量轴、永磁铁、金属膜片，永磁铁定位装置和金属膜片定位装置构成。永磁铁定位装置和金属膜片定位装置拥有轴向外螺纹，将永磁铁和金属膜片固定其上后，再通过螺纹旋进测量轴内的相应位置。最终将安装好的电子束轨迹测量轴与电子束源同轴安装，即可进行电子束轨迹测量。
1.2 测量流程直流电子束轨迹简易测量方法具体测量流程为：
1）首先根据电子束源接口尺寸、电子束预估直径、永磁铁的尺寸以及电子束引出距离设计加工测量轴、金属膜片、金属膜片定位装置和永磁铁定位装置；
2）根据设计工况和需要测量的位置参数，将金属膜片和永磁铁安装在测量轴的相应位置；
3）将测量轴与电子束源对接，并置于真空舱内，在输运通道末端安装法拉第筒，真空舱抽真空；
4）开启高压电源使电子束源发射直流电子束，直到法拉第筒接收到的束流稳定并与高压电源输出电流基本相同时，关闭高压电源；
5）待阴极冷却，恢复真空舱内气压至大气压，拆卸测量轴上金属膜片，测量并记录每个金属膜片位置及孔径，根据测量结果绘制直流电子束轨迹。
上述步骤中测量轴内直径应为电子束预估直径的4倍以上，金属膜应选用对电子束源阴极污染较小的材料(如钛膜)，厚度0.3mm以下。真空舱气压抽至1×10-3 Pa以下。法拉第筒接收到的束流与电子束源发射束流应相差5%以内，否则电子束可能已经轰击在其它结构上，测量结果很可能不准确。测量金属膜片孔径时，应记录同一金属膜片孔洞直径的最大和最小值，并将两者乘积的平方根记录为该金属膜孔径。
2 实验系统及参数
利用上述直流电子束轨迹简易测量方法，开展永磁约束电子束轨迹实验研究，对有无永磁铁、永磁铁位置及数量改变对电子束轨迹的影响进行了测量和分析，总结了相应的规律。下面将阐述该实验的系统及参数。
2.1 实验系统工作原理实验系统工作原理为：100 kV高压电源为电子束源提供高电压，以及阴极灯丝加热所需电流；电子束源在高电压下产生高能强流电子束，其中阴极组件的灯丝加热LaB6阴极药片并产生电子，加速管为电子提供加速电场；永磁铁为束流传输提供所需的磁场位形（如果安装永磁铁）；发射的电子束经过电场和磁场的约束轰击在膜片上，逐个击穿膜片后进入法拉第筒，小型真空舱为实验提供真空环境压力。
图3 永磁约束电子束轨迹实验系统
Fig.3 Experimental system to confine electron beam trajectory by means of permanent magnets2.2 实验系统工作参数实验拟定环境压力为10-4 Pa左右。每次实验电子束出束并烧穿膜片，并稳定工作（各测量参数相对稳定）10 s以上即结束实验，拆卸膜片并重新安装，恢复真空环境后即可继续开展下次实验。实验系统工作参数如表1所示。
表1 实验系统工作参数
Tab.1 Working parameters of experimental system2.3 实验测量参量实验测量参量一共包括四类：气压、电压、电流和膜孔位置大小。共计6个参量，具体情况如表2所示。
表2 实验测量参量
Tab.2 Parameters measured in experiment3 实验结果及分析
4 结论
本文设计了一种基于电子束烧蚀金属膜片测量电子束轨迹的简易方法。并基于上述测量方法，开展了永磁约束电子束轨迹实验研究，对有无永磁铁、永磁铁位置及加速电压变化对电子束轨迹的影响进行了测量和分析。得到了以下结论：
1）直流电子束轨迹简易测量方法可以简单快速测量高能直流电子束，并具有良好的测量重复性，准确度较高；
2）无永磁铁时，随着加速电压的增高，电子束束径越粗，束腰位置越远离阴极；
3）永磁铁对电子束的聚焦作用明显：
a) 不同位置相同规格的永磁铁对相同参数电子束的作用距离相同；
b) 加速电压越低，永磁铁对电子束约束效果更强。
- [1]刘春飞, 张益坤. 电子束焊接技术发展历史、现状及展望[J]. 航天制造技术, 2003, (4): 24-29.
- [2]毛志勇. 电子束焊接技术在大飞机中的应用分析[J]. 航空制造技术, 2009, (2): 92-94.
- [3]蔡竺吟, 吕国强, 杨蕾, 等. 行波管周期永磁聚焦系统的设计[J]. 真空电子技术, 2006, (2): 25-27.
- [4]代宪菊. 大功率行波管周期永磁聚焦系统研究[D]. 成都:电子科技大学, 2004.
- [5]VIDMAR R J, SEELEY M V, SERDYUCHENKO A, et al. Electrical, RF, and optical diagnostics in E-beam excited air plasma: AIAA 2008-1111[R]. USA: AIAA, 2008.
- [6]DENG Y F, TAN C, HAN X W, et al. Numerical simul- ation of the self-heating effect induced by electron beam plasma in atmosphere[J]. Plasma science and technology, 2012, 14(2): 1-5.
- [7]DENG Y F, HAN X W, TAN C. Simulation of electron beam air plasma characteristics[J]. Chinese physics B, 2009, 18(9): 3870-3876.
- [8]栾希亭, 邓永锋, 谭畅, 等. 非均匀磁场约束条件下的电子束空气等离子体特性[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(9): 2032-2036.
- [9]张志豪, 邓永锋, 韩先伟, 等. 电子束空气等离子体电子数密度分布模型研究[J]. 高电压技术, 2013, 39(7): 1745-1749.
束流传输基础研究实验共进行了2个系列共10次实验，分别对不同加速电压下无永磁铁和有永磁铁情况下的电子束轨迹进行了测量实验。根据实验过程中对监测参数以及试后对膜孔位置大小的记录，进行了总结和分析。实验结果如表3所示。
表3 实验结果数据
Tab.3 Data measured in experiment其中，A系列实验没有永磁铁，B系列实验有单个永磁铁，下面将对实验结果进行对比分析。
3.1 无永磁铁情况A-001~A-005次实验主要验证加速电压对电子束轨迹产生的影响，并考核同工况下实验结果的可重复性，以验证测量方法的准确度。A-001~A-005次实验数据如所示。
其中，加速电压为实际加载值；束流为电子束流，分为电源反馈值和法拉第筒接收到的值；膜片位置指膜片距离阴极发射面的轴向位置，距离阴极最近的膜片记为1#膜片，其后依次类推，膜片距离标注按号码从小到大排列；膜孔直径是指电子束烧蚀膜片留下孔洞的直径，测量了水平长度和垂直长度，平均值是二者乘积的开方，记录顺序参照膜片位置。以下各次实验的数据说明均参照此例。
3.1.1 实验结果可重复性根据表3中的实验数据进行分析。首先要确定实验结果是否具有可重复性，只有数据具有在相同实验条件和参数下能够复现，后续实验结果分析才能有意义。
为了对比相同实验的可重复性，必须寻找实验条件参数几乎完全相同的若干组数据进行比较A-001和A-002两次实验各项参数均比较吻合，因此考核实验可重复性选择这两组数据进行比较。
图4为A-001和A-002的实验结果比较，横坐标为距阴极发射面的轴向距离Z，纵坐标为膜孔直径，下面各项实验结果分析图与此图相同。从比较结果可以看出，两根曲线基本吻合，因此可以说明该实验可重复性较好，后续实验可以根据束流传输基础研究实验的结果数据进行分析。
图4 实验结果可重复性
Fig.4 Repeatability of experimental results3.1.2 加速电压对束流轨迹影响为了对比加速电压对束流轨迹的影响，选取A-002~A-005四次实验，这四次实验阴极加热电流均相同，加速电压分别为80 kV、70 kV、65 kV和75 kV。
图5 加速电压对电子束轨迹的影响
Fig.5 Effects of acceleration voltage on trajectory of electron beam图5为四次实验结果比较，可以看出：
1）随着加速电压的增加，整体束径越来越粗，但未表现出明显的线性规律；
2）越小的加速电压，束腰的位置越远离阴极；
3）束腰位置以后的束流轨迹因为没有电磁场约束，呈现线性扩张的趋势，并且不同加速电压的扩张角基本相同，扩张半角在2°左右。
3.2 有永磁铁情况B-001~B-005次实验主要验证有无永磁铁、单个永磁铁位置改变对电子束轨迹的影响。同时也验证了相同单个永磁铁情况下，不同加速电压时电子束轨迹的变化规律。实验结果数据如表3所示。其中磁铁位置表示安装的永磁铁近阴极面与阴极发射面之间的轴向距离。
实验中所用的永磁铁规格均为Φ40×Φ30×15 mm的环形钐钴永磁磁铁，具体参数如表4所示。
3.2.1 有无永磁铁对电子束轨迹的影响永磁铁用来约束电子束的束径，使电子束不致发散，保持在一个相对较小的束径范围以内。为了研究有无永磁铁对电子束轨迹的影响，选取了A-002、B-001和B-002三次实验数据进行对比，这三次实验加速电压均为80 kV。A-002次没有安装永磁铁，而B-001次和B-002次均在距离阴极145 mm处安装了上述永磁铁，两次实验仅测量电子束轨迹的金属膜片个数不同，其余参数完全相同。
表4 永磁铁参数
Tab.4 Parameters of permanent magnet图6为三次实验对比结果，图中色块表示相应颜色的曲线所安装永磁铁的轴向位置，但并不表示其径向位置，下同。
图6 有无永磁铁对电子束轨迹的影响
Fig.6 Effects of placing PM or not on trajectory of electron beam从图中结果可以看出，B-001和B-002次实验结果吻合较好，再次验证了实验的可重复性；安装永磁铁后，束径明显减小，并且在这种约束电子束的作用可以在永磁铁后很长的距离内体现。以此图为例，Φ40×Φ30×15规格永磁铁可以使加速电压为80 kV电子束在其后30 mm范围内束径持续减小。
3.2.2 永磁铁的轴向位置对束流轨迹的影响选取B-002、B-003和B-004三次实验结果进行比较。三次实验的加速电压均为80 kV，均安装一个Φ40×Φ30×15 mm规格永磁铁，距离阴极发射面分别为145、170和130 mm。图7为比较结果，从图中可以看出：
1）不论永磁铁与阴极的距离多远，都能将电子束束径有效减小，并且对电子束束径减小的作用距离基本相同。以此图为例，三次不同的实验，Φ40×Φ30×15规格永磁铁均可以使加速电压为80 kV电子束在其后30 mm范围内束径持续减小；
2）永磁铁距离阴极越近，也就是所处的电子束束径越小，经约束后电子束的束径也就越小。
图7 永磁铁的轴向位置对电子束轨迹的影响
Fig.7 Effects of axial position of PM on trajectory of electron beam3.2.3 永磁铁对不同加速电压束流轨迹的影响选取B-002和B-003两次实验进行对比，永磁铁位置均为距离阴极145 mm。对比结果如图8所示。从图中可以看出，越小的加速电压，相同的永磁铁对电子束的约束能力越强，电子束达到束腰的距离就越短。以图中为例，加速电压为80 kV时电子束需要30 mm达到束腰，而70 kV时只需要20 mm左右就可以达到。
图8 永磁铁对不同加速电压电子束轨迹的影响
Fig.8 Effects of PM on trajectory of electron beam at different acceleration voltage
