超短电子脉冲展宽的外场依赖性分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院西安光学精密机械研究所 作者:王超

  根据已有文献研究结果, 建立了Boersch 效应电子脉冲展宽物理分析模型, 确立了以时间弥散特征参量为核心参数的电子脉冲展宽表征理论, 以此为基础分析了超短电子脉冲展宽对外场的依赖性。结果表明: 相比匀速漂移场, 加速场具有较好的抑制电子脉冲展宽作用, 而减速场则增大了电子脉冲展宽; 对条纹相机和超快电子衍射仪等电子枪系统而言, 除了已知的两个区域􀀁 光阴极附近和偏转板后等电位漂移空间之外, 光电子脉冲从高电位向低电位传输时其时间弥散也是非常显著的。此结论对高性能电子枪工程设计具有重要的理论指导价值。

  时间分辨超快现象研究正在应用基础及高新技术研究等诸多领域展开, 以超短电子脉冲快速控制为基础的超快诊断工具, 如扫描变像管和超快电子衍射仪在时间分辨超快现象研究中发挥着难以替代的作用。为了提高其时间分辨率, 产生脉宽在100 fs 左右且每个脉冲包含103~104 个电子、电子能量10~50 keV 而脉冲能量弥散仅为几个伏特的超短电子脉冲技术早已被提上日程。然而, 此类技术目前仍处于研究阶段而未能进入工程应用中, 其瓶颈主要是光电子初能量弥散和高浓度电子脉冲中显著的Boersch 效应, 这两个因素会导致严重的电子脉冲展宽。正因此, 至今相关学者已在电子脉冲展宽及压缩方面做了大量的理论及实验研究, 且得到了不同精度的分析结果。但遗憾的是, 已有分析除了引入复杂的理论推导之外, 其结果并没有给出超短电子脉冲展宽对外场依赖性的总括性结论,而此结论往往是高性能电子枪工程设计的宏观指导依据。

  本文依据已有研究结果, 建立了Boersch 效应电子脉冲展宽的物理分析模型, 确立了以时间弥散特征参量为核心参数的电子脉冲展宽表征理论, 以此为基础分析了电子脉冲展宽对外场的依赖性。结果表明: 相比匀速漂移场, 加速场具有较好的抑制电子脉冲展宽作用, 而减速场则增大了电子脉冲展宽。

Boersch 效应分析模型

  基于引言中提及的研究背景, 这里考虑的电子枪其电子源为外光电效应光电发射阴极, 电子脉冲传输系统由相关电极( 亦可包括磁极) 构成。此系统中任意电子在任意时刻都受到四种力的作用: 电极系统产生的外场、脉冲内部其他运动电荷产生的电场力和磁场力以及光阴极镜像电荷的作用力。据作用力对脉冲展宽的贡献, 这里仅考虑前两者。

  Boersch 效应是空间电荷效应的一种。本文建立的电子脉冲Boersch 效应分析模型如图1 所示, 其中采用的是电子脉冲坐标系, z 轴为轴对称电子脉冲传输系统的对称轴。这里以在时域上满足矩形分布的圆柱状电子脉冲为例。

电子脉冲Boersch 效应分析模型

图1 电子脉冲Boersch 效应分析模型

  研究结果表明:Boersch效应对电子脉冲相关参量的影响体现在两个方面􀀁 横向束径尺寸延展和纵向脉冲时域展宽, 且后者较为显著; 同时相比不考虑Boersch 效应的情形,电子脉冲前后沿的时域展宽具有良好的对称性。因而为讨论简便起见, 这里忽略电子脉冲传输过程中的横向束径尺寸延展。设电子脉冲沿z 轴方向传输, 其内部电子数为N 、脉冲束径为r 0 以及t 时刻纵向尺寸为l (t) , 则据电场叠加原理即可求得此时电子脉冲内建场轴上电场分布

  其中正电场的方向沿z 轴正向, p(t) 为t 时刻电子脉冲内部空间电荷密度, 且有

  不同时刻电子脉冲内部轴上电场分布如图2 所示。由图可知: 在任意时刻电子脉冲内建场关于脉冲中心对称且脉冲中心的内建场为0。若设电子脉冲所置其中的轴向外场为E0, 则t 时刻电子脉冲内部轴向电场分布为

  因此, t 时刻电子脉冲展宽将由Etotal(z , t) 决定。

电子脉冲内部轴上电场分布

图2 电子脉冲内部轴上电场分布

  针对高时间分辨率电子枪系统的发展现状及拓展瓶颈, 本文在综合分析已有研究结果的基础上建立了Boersch 效应电子脉冲展宽的物理分析模型, 通过引入的以时间弥散特征参量为核心参数的电子脉冲展宽表征理论, 分析了电子脉冲展宽对外场的依赖性。得出的结论为: 相比匀速漂移场, 加速场具有较好的抑制电子脉冲展宽作用, 而减速场则增强了电子脉冲展宽; 对条纹相机和超快电子衍射仪等电子枪系统而言, 除了已知的电子脉冲时间弥散较为严重的两个区域-光阴极附近和偏转后的等电位漂移空间之外, 其中光电子脉冲从高电位向低电位传输的区间内部, 光电子脉冲的时间弥散也是非常显著的。此结论对高性能电子枪工程设计具有重要的理论指导价值。

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