测量行波管电子注的减速电场能量分析器的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:刘述清

  为测量行波管电子注的能量分布,本文设计和验证了一个减速电场能量分析器( retarding field energy analyzer,RFEA) 。该能量分析器由一个连接负偏压的减速环、一个电子注采样方孔和一个电荷收集极构成,通过调节减速环的负偏压,选择相应能量的电子,就得到电子注的能量分布。计算机仿真结果表明该分析器对于低能量(几千电子伏到10 keV) 的电子注具有良好的分辨率。实验测量了一个导流系数为0145 LP 的宽带行波管电子枪发射的电子注的能量分布,实验数据与仿真模拟结果具有较好的一致性。

  电子注的参数在很大程度上决定了行波管的性能。进入互作用区的电子注需要具有良好的层流性和均匀的能量分布才能提高注- 波互作用效率。电子注通过高频结构,经过互作用后仍保留有很大一部分功率,为了提高行波管的总效率,需要最大限度地提高多级降压收集极的效率,这就需要确定电子注的能谱结构,合理优化降压收集极,提高效率。当前有众多计算机软件可以进行电子光学系统的设计,但是由于热初速效应,阴极表面粗糙度和像差效应等原因,实际电子枪发射的电子注与根据理论计算和计算机仿真得到的电子注有较大差别,直接影响了注- 波互作用效率。另外降压收集极往往是根据理论计算得到的互作用后的电子注的能量分布进行设计的,所以收集极效率难以提高。为了提高收集极效率和行波管总效率,并且验证大信号理论计算,有必要研究实际电子注的能量分布情况。测量电子注能量分布的方法有很多,如减速电场法、磁偏转法、正交电磁场分流法等。

  减速电场能量分析器( retarding field energy analyzer,RFEA) 具有简单、紧凑和高信噪比等特性,适用于测量能量为几千电子伏到10 keV 之间的电子注。应用于实验的减速电场能量分析器有很多种,传统的平行板减速电场能量分析器应用于等离子体测量,电子云分析和离子束测量等。这些能量分析器体积和分辨率方面都无法满足测量行波管电子注能量分布的要求。

  本文为测量行波管电子注能量分布设计了一个减速电场能量分析器。该能量分析器由连接负偏压的减速环,采样方孔和电荷收集极构成,通过调节减速环的负偏压,使得相应能量的电子通过减速环进入电荷收集极,形成电流信号,分析相应电压下的电流大小就得到电子注的能量分布。通过测量一个宽带行波管的电子枪验证该测量方法和结构的有效性,为下一步改进能量分析器和测量行波管互作用后的电子能量分布状态提供依据。

1、设计与仿真

  减速电场能量分析器的基本原理是,通过设置相应的负偏压,建立一个减速电场,当电子通过这个电场的时候会被减速,加速电压小于负偏压绝对值的电子无法克服减速电场,只有加速电压大于负偏压绝对值的电子能够通过减速电场,进而被电荷收集极接收形成电流信号,分析相应负偏压下收集极接收到的电流大小就可以得到电子的能量分布。由于行波管电子注的电流较大而直径较小,如果直接接收整个电子注进行测量,很可能因为空间电荷效应造成电子注在能量分析器中产生较大的径向发散而无法正确测量其能量。因此减速电场能量分析器一般都是利用一个采样孔采集一定位置的一部分电子进行分析。本文设计的能量分析器利用一个采样方孔,扫描、采集和分析电子注截面上一定位置的电子,然后把各个位置点上相同电压下的电流相叠加,就得到整个电子注相同电压下的电流值,进而得到电子注的能量分布。

  设计的能量分析器结构如图1 所示。该结构长为60 mm,最大直径为60 mm。采样薄片中心为方孔,可以根据入射的不同电子注的直径选择相应合适的尺寸。高压环内径44 mm,厚度为2 mm; 减速环中心是直径为4 mm 的通孔,通孔深1 mm; 收集极内径44 mm,深14 mm。高压环和减速环边沿有小孔,可接入高压线; 收集极底端有信号接头,可输出采集到的电流信号。屏蔽端盖、高压环、减速环、收集极和屏蔽外筒依靠绝缘陶瓷环定位和连接,材质均为无磁不锈钢。屏蔽端盖上焊接有螺杆,通过螺母固定到屏蔽外筒上。屏蔽外筒两侧和连接头上端有开槽,分别用于引入高压线和引出信号线。连接头和屏蔽外筒连接成一体,固定到电子注分析系统中精密三维移动工作台上,整个能量分析器便可随着伺服电机动作而移动扫描分析电子注。

减速电场能量分析器结构示意图

图1 减速电场能量分析器结构示意图

  测量电路如图2 所示。电子注从能量分布分析器正上方入射到内部。由于高压环和减速环所加负偏压的作用,射入的电子减速前进,能量低于减速电场能量的电子返回打到屏蔽端盖上; 能量高于减速电场能量的电子通过减速环中心的通孔,再次加速后打到收集极上。从收集极引出信号线,接入到电流电压转换模块和数据采集卡,再连接到工业控制计算机,使用组态软件LabVIEW 便可读出电流值。逐渐改变高压环和减速环上的电压,使得具有不同能量的电子打到收集极,通过记录所加电压和对应的电流值,就可以计算出电子注的能量分布曲线。

能量分析器测量电路示意图

图2 能量分析器测量电路示意图

结论

  本文根据减速电场法的原理,通过CST 粒子工作室模拟仿真,设计了一种采用减速环和采样方孔结构的圆柱形能量分析器,用来实际测量了一个宽带行波管电子枪的能量分布,并对实验数据和仿真结果进行了分析比较。数值模拟与实验结果吻合得较好,为下一步改进减速电场能量分析器和测量行波管互作用后的电子能量分布状态提供了依据。

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