什么是强流电子光学?

什么是强流电子光学?

[拼音]：qiangliu dianzi guangxue

[外文]：high current electron optics

以研究电子注的形成、聚焦和收集问题为主的电子光学分支。强流电子光学是随着微波电子管的出现而发展起来的。在电子光学中，电子束的强度用导流系数来表征。导流系数的定义为P=I/V


。式中I为束电流强度(安);V为加速电压(伏);导流系数的单位是朴(安/伏


)，工程上常用微朴（1微朴=10-6朴）作单位。通常把导流系数小于 10-9朴的电子束称为弱流电子束，导流系数大于10-8朴的电子束称为强流电子束。强流电子束常称为电子注。强流电子光学的特点是考虑电子注中的空间电荷效应和电子注本身的内部结构。

强流电子光学在微波电子管、高能加速、电子束加工和电子束冶炼等方面已获得广泛应用，而在线形微波电子管方面应用尤多。这种电子器件的电子注可分为四个区段，即电子q区、过渡区、工作区和收集极区(图1)。由电子q射出的电子注经过过渡区后就形成所需的形状。最常用的电子注有带状电子注、轴对称电子注和管状电子注（图2）。

空间电荷效应

在强流电子注内部电荷密度很大，因而会产生较显著的空间电荷效应。空间电荷效应主要表现在三个方面：

（1）电子之间的相互斥力很大，迫使电子注发生横向扩张；

（2）它使电子注内部的电位降低，电位分布发生显著变化；

（3）电子注内部的电位可能降到低于阴极电位，这将限制电子注在管道内的通过能力。由于空间电荷效应，电子注内的电子很难在较长距离上保持近乎平行的直线轨迹。

在强流电子光学中，一般不把电子注横截面会聚成点状，通常也不涉及成像问题。强流电子光学中的聚焦问题，实际上是指形成一定形状的电子注和保持电子注外形的问题。

电子q

电子q的作用是提供合乎要求的初始电子注。表征电子注质量的主要参量是：导流系数、电流密度、电子注的尺寸、外形和内部结构、层流性（即电子轨迹交叉的程度）和稳定性。1940年美国物理学家J.皮尔斯最先提出强流电子q设计的理论和方法。大电流密度的电子注横向扩散极快。因此，必须在电子刚离开阴极面时就控制电子的运动轨迹。皮尔斯提出一种解决办法，即设法使电子注维持直线边界。根据这种思想设计的电子q称为皮尔斯电子q。皮尔斯计算出一系列具有适当电位和特定形状的等位面（可以用金属电极模拟），据此形成的静电场能使具有直线边界（锥形、楔形、带状）的电子注保持其直线边界。这些金属电极称为聚焦极。在空间电荷限制的条件下，电子注电流与电压之间服从二分之三次方定律，与阴极等电位的聚焦极在阴极附近的半锥角都是67.5°(图3b)。

为了提高电子注的电流密度，常使用收敛型电子q。这些电子q的阴极可以是球面、圆柱面或圆环形的，其面积可以比工作区电子注的横截面大数十倍甚至上百倍，因而可使注电流密度比阴极发射电流密度高同样倍数。一般的收敛型电子q因受阳极孔效应的限制，导流系数不超过1 微朴。专门设计的高导流系数电子q补偿了阳极孔效应，导流系数可以高达6微朴。实际应用中导流系数常在 3微朴以下。空心管状电子注具有导流系数高和与微波场互相作用效率高等优点。磁控注入式电子q能提供较好的高导流系数空心管状电子注。

把具有内阴极和同轴阳极的圆柱型二极管放在沿二极管轴线指向的均匀磁场中，便得到最简单的静电磁控管。当磁场为零或较弱时，从阴极飞出的电子能到达阳极；当磁场增大到超过临界值时，电子不会到达阳极，而将围绕阴极形成横截面为环状的空间电荷云。如果这时用某种方法使电子产生沿轴的纵向运动，便能得到能形成管状电子注的电子q，这就是磁控注入式电子q（图4）。

强流电子注的聚焦

在没有外界电场或磁场聚焦力的情况下，强流电子注必然迅速发散变形。为使电子注成形并维持所需的横截面形状，同时保持所需的电流密度，必须采取聚焦措施。

均匀磁场聚焦

最简单的办法是把整个电子注连同阴极都放入均匀磁场中，使电子运动方向与磁力线平行，这就是均匀磁场聚焦。均匀磁场聚焦分永磁和电磁两种。磁场越强，聚焦效果就越好。这种聚焦稳定性好，但聚焦系统太笨重，若用电磁螺旋线包，耗电也太多。

屏蔽式和部分屏蔽式磁场聚焦

设法使磁力线不通过或少通过阴极面（即把阴极屏蔽起来），对聚焦磁场强度的要求可以降低得多。但磁场不可能有理想的突变，磁场过渡区的设计和电子注进入磁场区时的注入条件是聚焦系统设计的关键。高平均功率的耦合腔行波管常采用整体式线包，即将聚焦线包直接缠绕在管体上，使器件减轻重量、缩小体积和省电。

周期永磁聚焦

这是最轻便的磁聚焦方法。它适用于细长的电子注。周期永磁聚焦系统实际上是一系列极性正负相间串联起来的磁透镜，透镜参量的选择应使周期磁场的聚焦力平均起来正好与电子注空间电荷的发散力相抵消。周期永磁聚焦分为径向场聚焦（磁环径向磁化）和轴向场聚焦（磁环轴向磁化）两种。周期永磁聚焦方法的缺点是稳定性较差，而且只适应于细长的系统。

倒向场聚焦

便磁铁极性反向对接一次或两次（周期永磁聚焦是反向对接多次），也能达到减小器件尺寸和减轻重量的目的。

静电聚焦

实际应用的主要是周期静电聚焦。这是最轻便又不耗电的聚焦方法，但聚焦力有限，被聚焦电子注的功率不大。周期静电聚焦系统可以由一系列静电单透镜串联而成。

强流电子注的收集

在微波电子管中，在工作区与高频系统交换能量后落到收集极上的电子仍具有相当大的能量。因此必须专门设计收集极，使它的内表面承受的电流密度尽可能均匀，避免局部过热。收集极的设计还应该考虑抑制次级电子的问题。为了提高器件的效率，可以采用降压收集极。降压收集极的电位比高频系统的电位低，收集极区的电子注处于减速场，使电子把部分能量交还电源，收集极上耗散的功率也相应地减少。收集极与高频系统之间的电位差不宜太大，为了进一步提高效率，可以采用多级降压收集极。

相对论性强流电子q

这是一种超高电压双电极系统。在接通强电压脉冲的最初瞬时，阴极上的微尖产生场致发射。当电场增强到约5×107伏／厘米时，微尖上的电流增大，使微尖气化，甚至爆炸。蒸气的电离使阴极面附近产生浓密的等离子体，等离子体与阴极面相互作用能使阴极发射电流密度提高103～104倍。这样发射出来的电子流穿过阳极箔进入漂移区，就成为有用的电子束。这种电子束的电流可达104～107安，电子能量可达107～108电子伏，电子束功率可达1013瓦。这种电子束在等离子体加热、带电粒子的集团加速、产生微波辐射或激光辐射等物理研究和工程技术的许多领域都获得了应用。