超短電子脈沖展寬的外場依賴性分析

　　根據(jù)已有文獻研究結(jié)果, 建立了Boersch 效應電子脈沖展寬物理分析模型, 確立了以時間彌散特征參量為核心參數(shù)的電子脈沖展寬表征理論, 以此為基礎分析了超短電子脈沖展寬對外場的依賴性。結(jié)果表明: 相比勻速漂移場, 加速場具有較好的抑制電子脈沖展寬作用, 而減速場則增大了電子脈沖展寬; 對條紋相機和超快電子衍射儀等電子槍系統(tǒng)而言, 除了已知的兩個區(qū)域􀀁 光陰極附近和偏轉(zhuǎn)板后等電位漂移空間之外, 光電子脈沖從高電位向低電位傳輸時其時間彌散也是非常顯著的。此結(jié)論對高性能電子槍工程設計具有重要的理論指導價值。

　　時間分辨超快現(xiàn)象研究正在應用基礎及高新技術研究等諸多領域展開, 以超短電子脈沖快速控制為基礎的超快診斷工具, 如掃描變像管和超快電子衍射儀在時間分辨超快現(xiàn)象研究中發(fā)揮著難以替代的作用。為了提高其時間分辨率, 產(chǎn)生脈寬在100 fs 左右且每個脈沖包含103~104 個電子、電子能量10~50 keV 而脈沖能量彌散僅為幾個伏特的超短電子脈沖技術早已被提上日程。然而, 此類技術目前仍處于研究階段而未能進入工程應用中, 其瓶頸主要是光電子初能量彌散和高濃度電子脈沖中顯著的Boersch 效應, 這兩個因素會導致嚴重的電子脈沖展寬。正因此, 至今相關學者已在電子脈沖展寬及壓縮方面做了大量的理論及實驗研究, 且得到了不同精度的分析結(jié)果。但遺憾的是, 已有分析除了引入復雜的理論推導之外, 其結(jié)果并沒有給出超短電子脈沖展寬對外場依賴性的總括性結(jié)論,而此結(jié)論往往是高性能電子槍工程設計的宏觀指導依據(jù)。

　　本文依據(jù)已有研究結(jié)果, 建立了Boersch 效應電子脈沖展寬的物理分析模型, 確立了以時間彌散特征參量為核心參數(shù)的電子脈沖展寬表征理論, 以此為基礎分析了電子脈沖展寬對外場的依賴性。結(jié)果表明: 相比勻速漂移場, 加速場具有較好的抑制電子脈沖展寬作用, 而減速場則增大了電子脈沖展寬。

Boersch 效應分析模型

　　基于引言中提及的研究背景, 這里考慮的電子槍其電子源為外光電效應光電發(fā)射陰極, 電子脈沖傳輸系統(tǒng)由相關電極( 亦可包括磁極) 構(gòu)成。此系統(tǒng)中任意電子在任意時刻都受到四種力的作用: 電極系統(tǒng)產(chǎn)生的外場、脈沖內(nèi)部其他運動電荷產(chǎn)生的電場力和磁場力以及光陰極鏡像電荷的作用力。據(jù)作用力對脈沖展寬的貢獻, 這里僅考慮前兩者。

　　Boersch 效應是空間電荷效應的一種。本文建立的電子脈沖Boersch 效應分析模型如圖1 所示, 其中采用的是電子脈沖坐標系, z 軸為軸對稱電子脈沖傳輸系統(tǒng)的對稱軸。這里以在時域上滿足矩形分布的圓柱狀電子脈沖為例。

圖1 電子脈沖Boersch 效應分析模型

　　研究結(jié)果表明：Boersch效應對電子脈沖相關參量的影響體現(xiàn)在兩個方面􀀁 橫向束徑尺寸延展和縱向脈沖時域展寬, 且后者較為顯著; 同時相比不考慮Boersch 效應的情形,電子脈沖前后沿的時域展寬具有良好的對稱性。因而為討論簡便起見, 這里忽略電子脈沖傳輸過程中的橫向束徑尺寸延展。設電子脈沖沿z 軸方向傳輸, 其內(nèi)部電子數(shù)為N 、脈沖束徑為r 0 以及t 時刻縱向尺寸為l (t) , 則據(jù)電場疊加原理即可求得此時電子脈沖內(nèi)建場軸上電場分布

　　其中正電場的方向沿z 軸正向, p(t) 為t 時刻電子脈沖內(nèi)部空間電荷密度, 且有

　　不同時刻電子脈沖內(nèi)部軸上電場分布如圖2 所示。由圖可知: 在任意時刻電子脈沖內(nèi)建場關于脈沖中心對稱且脈沖中心的內(nèi)建場為0。若設電子脈沖所置其中的軸向外場為E0, 則t 時刻電子脈沖內(nèi)部軸向電場分布為

　　因此, t 時刻電子脈沖展寬將由Etotal(z , t) 決定。

圖2 電子脈沖內(nèi)部軸上電場分布

　　針對高時間分辨率電子槍系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及拓展瓶頸, 本文在綜合分析已有研究結(jié)果的基礎上建立了Boersch 效應電子脈沖展寬的物理分析模型, 通過引入的以時間彌散特征參量為核心參數(shù)的電子脈沖展寬表征理論, 分析了電子脈沖展寬對外場的依賴性。得出的結(jié)論為: 相比勻速漂移場, 加速場具有較好的抑制電子脈沖展寬作用, 而減速場則增強了電子脈沖展寬; 對條紋相機和超快電子衍射儀等電子槍系統(tǒng)而言, 除了已知的電子脈沖時間彌散較為嚴重的兩個區(qū)域-光陰極附近和偏轉(zhuǎn)后的等電位漂移空間之外, 其中光電子脈沖從高電位向低電位傳輸?shù)膮^(qū)間內(nèi)部, 光電子脈沖的時間彌散也是非常顯著的。此結(jié)論對高性能電子槍工程設計具有重要的理論指導價值。