如何产生强的电子束

据说现在的场致发射可以产生强流离子束，电子束，电束流达几百安培到数万安培，不知其原理是怎样的~

束流强度达几十万以至上百万安培的束流。它比通常加速器的束流密度高几万倍以至几十万倍。20世纪60年代初期,由于模拟核爆炸条件下γ射线辐照效应和X射线照相的需要，强流脉冲电子束加速器得到了迅速发展，70年代后，由于粒子束惯性约束聚变、电子束抽运气体激光器、电子束产生高功率微波等研究工作的要求，研制了低电压大电流的电子束加速器，并在这些技术的基础上获得了强流脉冲离子束。1984年已能产生1MeV、1MA的轻离子束，强流脉冲电子束也达到了如下的技术水平：
电子能量 0.3MeV～12MeV
电子束流 10kA～5MA
脉冲宽度 10ns～100ns
总束能 1kJ～5MJ
功率 1011W～3×1013W
这些束流之特点是束流能量大、功率高、电流大、时间宽度窄。这种基于物理学和电工学相结合的高功率脉冲技术是一门新的前沿科学技术，近年来发展极为迅速，已成为研究高温高压等离子体物理的重要工具，它在经济和军事应用方面有着广阔的前景。
强流脉冲电子束的产生 强流脉冲电子束加速器主要由三个部分组成，即冲击电压发生器、脉冲成形线与脉冲传输线和场致发射二极管。从冲击电压发生器输出的微秒级上升时间的高压脉冲经脉冲成形线成形为几十纳（10-9)秒上升时间的高压脉冲，并由传输线输运至场致发射二极管，二极管起着将电磁能转变为电子束的能量的作用。
冲击电压发生器 见脉冲倍压发生器之图2。冲击电压发生器的工作原理是对电容器组并联充电串联放电，获得脉冲高压输出，减小冲击电压发生器电感，可缩短输出高压脉冲的上升时间。电容器的排列有Z型、S型和混合型等，采取正、负充电线路，可使火花球隙数目减少一倍。


LC反转冲击电压发生器的电感小，输出脉冲上升时间短，但当所有球隙不能在同一时间内击穿时，过电压会把电容器击穿。
脉冲成形线和脉冲传输线 如图1所示。冲击电压发生器输出的电压脉冲，对脉冲成形线充电，当电压充至一定值时主开关接通，成形线中开始了波过程,经过时间在成形线末端产生时间宽度为的高压脉冲加在场致发射二极管上。L为成形线长度,с为光速,ε为成形线介质的介电常数，也可以通过变阻抗传输线加到二极管上，以达到升压或降压的目的。脉冲成形线和脉冲传输线中充以去离子水或变压器油，对于亚微秒充电时间的高压脉冲，水是很好的绝缘介质，水的储能密度大、价廉，发生电击穿后能很快恢复不留痕迹。可根据T.H.马丁的经验公式来考虑脉冲成形线和脉冲传输线的绝缘要求。
强流电子束二极管 阴极表面细微的针尖状结构，使场强增大约100倍，趋于108V/cm，由此引起的电流的增强造成阴极上微小尖端的蒸发，蒸发物的电离形成阴极等离子体，并从中发射电流，阴极等离子体的前沿以1～4×104m/s的速度向阳极运动，随着束流的增强，在阳极上吸附的气体释放出来并被电离，形成阳极等离子体，它以约1×104m/s的速度向阴极运动。
描述二极管中电子束流特性的一个重要物理量是v/ γ 值，v是单位长度上电子数目乘电子经典半径，，，IA称为阿尔文电流。
低v/γ 值二极管阻抗可由蔡尔德－朗缪尔公式描述，平行板二极管阻抗为


式中V以兆伏为单位,R是二极管半径，d是阴阳极间隙距离，以厘米为单位，μ 是阴极等离子体运动速度，以厘米／秒为单位，Z以欧姆为单位，K(V)是随着V而增长的函数，对于非相对论性束流K(V)＝136。
当二极管中电流超过了临界电流值时，电子轨迹开始箍缩，这时电子的拉莫尔半径等于电子束半径的一半，并等于阴阳极之间的间距。
在高v/ γ值的二极管中，当达到临界电流值时，束流开始箍缩，实验观察到箍缩主要在脉冲的后一段时间内形成，并以(1～5)×106m/s的径向崩塌速度进行，它比等离子体膨胀速率大一个半到二个数量级，这是由于阳极等离子体中的正离子向阴极运动，改变了空间电荷分布，增大了二极管电流，从而使箍缩进一步发展。
箍缩发生后，二极管阻抗大致和"顺位流模型"的计算值相符。箍缩的结果使电子向二极管的轴线方向移动。由于空间电荷的堆积，造成阴极中心部分轴向电场的减小，从而降低了阴极中心区域的电子发射，过剩的空间电荷使得等位面分布接近锥形。电子沿锥形等位面运动。等位面的法线方向和磁场方向垂直。因而向外的电场力和向内的自磁场力方向相反。空间电荷堆积一直继续到作用在电子上的净力为零。于是从阴极边界处发出的电子沿等位面作净力为零的运动。按顺位流模型可得


进一步考虑阴极和阳极表面上存在的等离子体对箍缩所起的作用，建立了聚焦流模型，按照该模型聚焦束流为

强流离子束的产生 在双极性流的情况下，质子流和电子流密度满足方程


式中x是阴阳极之间距离，V是阴阳极间隙上的电压，εo是空气介电常数，e是电子电荷,mp是质子质量。电子流密度约为质子流密度的43倍，强流离子二极管的工作原理是利用电场或磁场抑制电子到达阳极，使二极管的能量大部分为离子所带走，现有的离子二极管有三种类型：
反射型二极管 从阴极射出的电子穿过薄阳极靶后，遇到一个反向电场，使电子减速并回转，重新穿过阳极靶，然后阴阳极之间的电场又将电子拉向阳极。若靶上涂以某种有机物,由于电子来回穿过阳极靶,在靶上产生离子并向阴极运动（图2）。反射型二极管产生离子效率可达50％，实际上不需要第二个阴极，从阳极穿出的电子的堆积，形成虚阴极。离子流密度和电子流密度之比为


式中Zm是离子的电荷,Mp是离子质量，〈Δθ2〉是散射角的均方值,散射角近似反比于二极管电压的二次方,离子流密度和二极管电压的关系可用7/2次方来描述。
磁绝缘二极管 如图3所示。外加一个大于临界磁场Bcr的横向磁场,偏转电子，使它不能到达阳极。




式中V是阴阳极之间电压，d是阴阳极间距。将含氢的有机物薄层附在阳极板上，采用表面闪络的技术使有机物层产生电击穿，形成等离子体，并从中发射出质子，质子从阳极向阴极运动的偏转角，Bcr为实际磁场强度，Bcr是达到磁绝缘所必须的最小磁场强度,一般的偏转角为1°～2°。
磁绝缘二极管的优点是在每次放电中阳极不会被损坏，约75％的二极管能量可以为离子带走，在美国桑迪亚国家实验室Proto-I加速器上获得能量为0.8～1.4MeV，电流为360kA的质子束。
自箍缩型二极管 如图4所示。阴极是大纵横比的圆环，阳极为一平板，从阴极发出的电子呈圆环的形状，电子轰击在阳极上形成阳极等离子体，它以约10%m/s的速度向阴极运动，走在前头的离子流使电子的空间电荷中性化，因而促使电子流增长，当电子流超过了临界电流时箍缩开始，在电子束每一次箍缩的过程中，有更多的等离子体从阳极放出，离子从等离子体中发出向阴极运动，电子束继续箍缩，从阴极圆环到二极管轴，走了一条弯曲而长的路程，而离子从阳极至阴极却走了一条比较直的路程，离子流和电子流之比为


式中vcr和vp是平均电子和离子的速度。


束流的传输 瑞典物理学家H.阿尔文研究宇宙射线时指出，带电高能粒子通过星际空间时的电流极限，星际空间的物质认为是电离的良好导体,其中电场为零,束流粒子的运动主要取决于束流本身所产生的磁场，可传输束流的最大值IA称为阿尔文电流


但由于本底气体的电离，造成空间电荷中性化和本底电离气体中的逆电流中和电流磁场的结果，可传输的束流往往超过阿尔文电流值。
均匀电子束流，在部分空间电荷中性化时，可传输的最大束流，ni是单位时间内单位体积中产生的离子数，nb是单位时间内通过单位面积上的带电粒子数。又由于电子束流上升前沿产生的随时间变化的角向磁场Bcr(t)，而感生的轴向电场Ez(t)，会产生逆向电流Jr(t)＝σEz(t),σ为电离的本底气体的电导率,逆向电流可抵消原束流的磁场,起"磁中和"的作用，这时可传输的最大束流


fm＝Jr/Jb称"磁中和"因子，表示磁场被中和的程度。
同时考虑到"电中和"和"磁中和"时，最大传输束流


电子束在传输中束截面变化的情况，可用径向运动方程表示, ，n值的正负决定了束流截面变化的行为。
W.T.林克曾分析在各种不同气压的空气中电子束的传输特性，如下表所示。


离子束通过稀薄气体的漂移管，气体被电离产生的电子可以中和离子的空间电荷。在等离子体密度足够大、电导率足够高的等离子体通道中，可传输高流强的离子束，传输距离达几米时，能量损失很小，用大型电容器组通过细钨丝放电，在气体中形成狭窄的等离子体通道，放电电流的角向磁场可使离子束或电子束箍缩住，全息照相技术观察，发现在均匀稳定的低密度通路外面，是一层温度较低、密度较高的圆筒状气体壳。等离子体通道方法有效地将几十万安培的强流电子束或离子束传输了几米。近来也用激光产生的弱的预电离通道来传输粒子束流。
强流电子束和离子束的应用 强流粒子束已广泛地应用于核爆炸模拟、大型 X闪光机照相、强功率微波的产生、强中子源的产生、粒子束惯性约束聚变的研究、抽运高功率的气体激光器（其中以准分子激光器、二氧化碳激光器和化学激光器在最近几年得到迅速发展），现只叙述在粒子束惯性约束聚变方面的应用。
强流粒子束射在球形的靶丸上，靶的结构包括三个部分：①烧蚀层。即靶壳的外层部分，绝大部分的束流能量在该层吸收，形成高温高压的等离子体；②推进层。即靶壳的内层部分，当烧蚀层的高温高压等离子体向外膨胀喷射时，靶壳的内层部分向内作聚心压缩；③燃料。即DT混合物，由于推进层的压缩，将燃料加热和点燃。
粒子束惯性约束聚变研究中最关键的问题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积，1976年苏联库尔恰托夫研究所Л.И.鲁达科夫等首次用功率约1011瓦的电子束辐照锥形靶,压缩和加热装在锥形导向塞内的氘燃料，产生3×106个聚变中子，1977年美国桑迪亚国家实验室G.约纳斯等也用电子束辐照含氘小球，获得约106个中子。
离子束聚变较之电子束聚变有显著的优越性，射程短，不预热靶心的燃料，后向反射小等，因此点火功率的要求比电子束聚变可降低 5～10倍。70年代中期离子束聚变发展成为粒子束聚变的主要方向，目前在美国桑迪亚国家实验室正在建造大型轻离子加速器PBFA-Ⅱ,从事该方面研究工作。

电子在电场中会受力而得到加速、提高能量，产生电子束。一台电子加速器，注入的电子能量为20GeV（1GeV=109 eV，也就是10亿电子伏特），相应的电子速度为0.99999999979倍光速。电子经加速器加速后，能量可达到100GeV，电子速度达到0.999999999987倍的光速。这说明，电子在这台加速器里速度几乎没有增加，而能量增加了4倍。其实，加速器离人们的生活并不远。现代生活中已经普及的电视、计算机显示器所用的显像管就是一台小小的电子加速器。显像管有玻璃密封外壳，内部抽成真空。由一端的电子枪产生的电子束（强度受影像讯号控制）经过聚焦线圈聚焦后在高压电极的作用下加速向前运动。与此同时，电子束在偏转电极的作用下，自上而下作水平方向的扫描。这样，在显像管另一端的荧光屏上就形成了明暗程度不同的亮点。粒子加速器的结构可以与显像管类比。显像管中的电子枪对应于加速器的电子枪或离子源，显像管中加速电子用的高压电极对应于加速器中的高压加速电极及加速腔。显像管中控制电子运动的电偏转板与聚焦电子的聚焦线圈，对应于加速器中控制粒子运动轨道和聚焦粒子束流的多种电磁部件，如导向磁铁、聚焦磁铁、多极校正磁铁等。对粒子加速器的粒子运行管道来说，为了减少粒子在运动中与残余气体碰撞而造成粒子的丢失和束流性能变坏，所要求的真空度比显像管要高数千到数万倍。随着科学技术的不断发展，根据科学家对粒子能量和流强的不同要求，陆续产生了不同原理、不同结构的多种加速器。

给出了低阻抗二极管产生的电子束能谱分布及外加磁场对二极管阻抗影响的数值模拟研究结
果.结果表明,即使在外加电压恒定的条件下,二极管产生的电子束也具有一定的能谱分布,这说明用二极管
电压,电流波形计算脉冲电子束能谱分布是不正确的.另外,外加磁场对低阻抗二极管的阻抗特性具有较大影
响,其阻抗随外加磁场的增大而减小.分析认为这是由于外加磁场强度的变化改变了二极管中束电子的运动
轨迹.当没有外加磁场或外加磁场较小时,低阻抗二极管产生的电子束发生自箍缩,此时二极管电流是自箍缩
饱和顺位流;当外加磁场足够强时,电子束的自箍缩被抑制,二极管电流是没有箍缩时的空间电荷限制电流.
束电流小于自箍缩临界电流的二极管其阻抗将不随外加磁场的变化而变化.
!!关键词:!电子束;!二极管;!能谱分布
!!中图分类号:!95#+"!!!!文献标识码:!6
!!二极管产生的强流相对论电子束能谱分布是一个重要参数,如在材料响应和结构响应模拟以及!射线产
生等应用中,此参数都是必须给出的[",*].因此二极管产生的电子束能谱如何是本文讨论的主要内容之一.
由于强自电磁场的存在和动态特性,即使加在二极管上的电压是恒定的,产生的电子束能谱也将具有一定的能
谱分布,因此通过测量二极管电流和电压波形给出的电子束能谱分布是不正确的[*].另外,由于电子束流强
太强,直接测量电子束能谱几乎不可能,若取用电子束中一小部分的方法来测量,对于低阻抗二极管,由于电子
束能谱是随径向变化,并具有较大的横向动量,取样没有代表性,这种测量并不能说明问题.
!!本文用0.:全电磁数值模拟的方法,在不计及阴阳极等离子体影响的情况下,对二极管产生的强流相对论
电子束的能谱分布及外加磁场对二极管阻抗的影响进行了初步探讨.
!"低阻抗二极管产生的强流相对论电子束能谱分布数值模拟
!!首先,对输出线阻抗为*",输入电压为"<%,阴极半径为BCD,阴阳极间隙为"(+CD的二极管,我们利用
E64690.:数值模拟软件进行了模拟计算研究,二极管结构及电子轨迹见示意图".在外加磁场*(+9时,
计算得到当从输出线输入的电压为"(+<%时,产生束流强度为#A+F6,其能谱分布见图*.结果表明能谱半
!收稿日期:*++* "* ,+;!!修订日期:*++, +# "*
基金项目:国防科技基础研究基金资助课题
作者简介:刘国治("BG+ ),男,博士,研究员,主要研究方向为高功率微波技术和强流相对论电子束物理.万方数据
高宽为!"#$%,束电子平均能量为!"&$'%,能谱半高宽约为束电子平均能量的#(),这里定义该值为能散度.
*+,"#-.+/01+230+454607'2'89':';0145'5'1,<,40
2时的能谱分布,
其能谱半高宽约为!" &$%,能散度约为 ).当外
加磁场为!" >时,能谱半高宽为!"##$%,能散度为
().从模拟结果分析认为:能散度主要是由电子束
自电磁场和空间电荷限制电流随时间振荡特性所引起
的.在外加磁场较低时,电子束能量分散主要由束自
电磁场使电子偏转所造成.在强外加磁场条件下,电
子束的能量分散主要由自电场随时间振荡引起.由于
在不同外加磁场强度条件下导致电子束能量分散的机
制不同,所以电子束能量分散度也将随外加磁场强度
的变化而变化.同时这一变化也取决于二极管的结构
参数.
!"外加磁场对二极管阻抗的影响
*+,"=-.'@'5A'5;'46+9@'A85;'46A+4A'4507'98,5'0+;6+':A
图=-二极管的阻抗随外加磁场的变化曲线
--模拟条件为保持从 !输出线上的输出电压为
BC!$%不变,阴极半径为D;9(带有半径!"E;9的圆
弧),阴阳极间隙为B"!;9,改变外加磁场值,得到不同
外加磁场强度下的电压电流及二极管阻抗值.结果表
明二极管的阻抗随磁场的增大而减小,见图=.
--从图=中可以得知阻抗曲线存在两个转折点.一
个约在!"#>处,从该点开始,随着磁场增大阻抗减小.
这一磁场值大约对应抑制自箍缩需要的外加磁场值
!
"![#]为

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端州区15054294778： 请问什么是电子束,它是怎样产生的,它的单位或能量如何表达?谢谢~ - ？
弘彩松根： 电子束的产生方法,一般是用电流对灯丝加热,再灯丝外,加上高压,形成强电场,让电子脱离灯丝的原子核的束缚,然后使用聚焦电路,将其形成一束.电子束,有单位吗?就是一束电子哟.有能量,可用动能定理求得,电场力对电子做功,近似全部转化为电子的动能.Ek=W=eU.一般生活中常见的电子束,比如老式的电视机,里面有个电子枪的那种,电子束产生后,加上电视的图象信号,和扫描信号,就在屏幕上,形成电视画面了.现在的电视,一般是液晶,或者等离子,不是这种原理了.

端州区15054294778： 什么是＂正负离子对撞机＂,以及其作用! - ？
弘彩松根： 用磁场,让带电的正负离子加速到很高速度,然后碰撞,这种机器就是正负离子对撞机,不同于其他离子加速器的是,一般的离子加速器用离子轰击靶,通常的靶是静止的,而这种对撞机是相互碰撞,这样可以获得成倍的相对速度,以便与研究更微观的离子.原子核里面的质子都带正电,而他们却能够聚集在那么小的空间内,这是因为它们之间有“强作用力”这种作用力比起电子与原子核间的电磁力(弱作用力)要强很多,破坏依赖电磁力的离子件事化合物分解尚且需要加热到高温,可想,要克服核内的强作用力,是原子核破碎需要多大的能量? 加速器就是为了产生巨大的能量,让离子以高速撞击,来是原子核里面的更微观的离子跑出来,供人们研究.

端州区15054294778： X线管是怎样产生X线的?？
弘彩松根： 一般说来,高速运行的电子被物质阻挡即可产生X线.比如,电视机或电脑显示器的电子枪发射电子束撞击荧光屏就可以产生一定量的X线.所以,报刊上面经常有文章告诫人们:看电视不能挨得太近,不能看得太久,最好要有防辐射屏,配置...

端州区15054294778： 电视机显像管是怎么工作的? - ？
弘彩松根： 显像管工作过程是各电极加上标称电压由阴极发射电子束到屏幕,偏转线圈配合形成光栅并显示图像. 一、显像管各电极. 1、灯丝.电压6.3伏,电流约680毫安,点亮后给阴极加热. 2、阴极.在灯丝加热后向周围发射电子.阴极工作电...

端州区15054294778： 正负电子对撞机和正负离子对撞机有什么不同?有什么作用? - ？
弘彩松根： 1 正负电子对撞机,由于正负电子的电荷相反,所以这种对撞机只要建立一个环就可以了.相应的造价就比较低,世界上已建成的对撞机大部分是属于这一类的. 但是,由于电子回旋时引起的同步辐射损失,使这种对撞机能量的进一步提高发生...

端州区15054294778： 产生X射线需要哪些条件 - ？
弘彩松根： 产生X射线的三个基本条件:1、高压产生的强电场; 2、高真空的空间; 3、有一个能经受高速电子撞击而产生X射线 的靶.

端州区15054294778： β射线为电子流,而电子加速器可以发射电子束,能否理解为电子加速器可以产生β射线? - ？
弘彩松根： β射线为电子流,这些电子的速率极高,通常达到10^7 m/s的数量级. 电子加速器可以发射电子束,但它很难使电子速度加速到上述所说的数量级,所以从效果说,不能理解为电子加速器可以产生β射线.

端州区15054294778： 粒子束武器讲解 - ？
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端州区15054294778： 行波管的结构 - ？
弘彩松根： 行波管剖视图包括: (1)电子枪; (2)微波输入; (3)磁铁;(4)衰减器; (5)螺旋线; (6)微波输出; (7)真空管; (8)收集极.行波管在结构上可分为:电子枪﹑慢波电路﹑集中衰减器﹑能量耦合器﹑聚焦系统和收集极等部分...

端州区15054294778： 什么东西促使电荷移动? ？
弘彩松根： 束流强度达几十万以至上百万安培的束流.它比通常加速器的束流密度高几万倍以至... 电子束产生高功率微波等研究工作的要求,研制了低电压大电流的电子束加速器,并...