測(cè)量行波管電子注的減速電場(chǎng)能量分析器的研究

　　為測(cè)量行波管電子注的能量分布，本文設(shè)計(jì)和驗(yàn)證了一個(gè)減速電場(chǎng)能量分析器( retarding field energy analyzer，RFEA) 。該能量分析器由一個(gè)連接負(fù)偏壓的減速環(huán)、一個(gè)電子注采樣方孔和一個(gè)電荷收集極構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)減速環(huán)的負(fù)偏壓,選擇相應(yīng)能量的電子，就得到電子注的能量分布。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明該分析器對(duì)于低能量(幾千電子伏到10 keV) 的電子注具有良好的分辨率。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了一個(gè)導(dǎo)流系數(shù)為0145 LP 的寬帶行波管電子槍發(fā)射的電子注的能量分布，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真模擬結(jié)果具有較好的一致性。

　　電子注的參數(shù)在很大程度上決定了行波管的性能。進(jìn)入互作用區(qū)的電子注需要具有良好的層流性和均勻的能量分布才能提高注- 波互作用效率。電子注通過高頻結(jié)構(gòu)，經(jīng)過互作用后仍保留有很大一部分功率，為了提高行波管的總效率，需要最大限度地提高多級(jí)降壓收集極的效率，這就需要確定電子注的能譜結(jié)構(gòu)，合理優(yōu)化降壓收集極，提高效率。當(dāng)前有眾多計(jì)算機(jī)軟件可以進(jìn)行電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但是由于熱初速效應(yīng)，陰極表面粗糙度和像差效應(yīng)等原因，實(shí)際電子槍發(fā)射的電子注與根據(jù)理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真得到的電子注有較大差別,直接影響了注- 波互作用效率。另外降壓收集極往往是根據(jù)理論計(jì)算得到的互作用后的電子注的能量分布進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以收集極效率難以提高。為了提高收集極效率和行波管總效率，并且驗(yàn)證大信號(hào)理論計(jì)算，有必要研究實(shí)際電子注的能量分布情況。測(cè)量電子注能量分布的方法有很多，如減速電場(chǎng)法、磁偏轉(zhuǎn)法、正交電磁場(chǎng)分流法等。

　　減速電場(chǎng)能量分析器( retarding field energy analyzer，RFEA) 具有簡(jiǎn)單、緊湊和高信噪比等特性，適用于測(cè)量能量為幾千電子伏到10 keV 之間的電子注。應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的減速電場(chǎng)能量分析器有很多種，傳統(tǒng)的平行板減速電場(chǎng)能量分析器應(yīng)用于等離子體測(cè)量，電子云分析和離子束測(cè)量等。這些能量分析器體積和分辨率方面都無法滿足測(cè)量行波管電子注能量分布的要求。

　　本文為測(cè)量行波管電子注能量分布設(shè)計(jì)了一個(gè)減速電場(chǎng)能量分析器。該能量分析器由連接負(fù)偏壓的減速環(huán)，采樣方孔和電荷收集極構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)減速環(huán)的負(fù)偏壓，使得相應(yīng)能量的電子通過減速環(huán)進(jìn)入電荷收集極，形成電流信號(hào)，分析相應(yīng)電壓下的電流大小就得到電子注的能量分布。通過測(cè)量一個(gè)寬帶行波管的電子槍驗(yàn)證該測(cè)量方法和結(jié)構(gòu)的有效性，為下一步改進(jìn)能量分析器和測(cè)量行波管互作用后的電子能量分布狀態(tài)提供依據(jù)。

1、設(shè)計(jì)與仿真

　　減速電場(chǎng)能量分析器的基本原理是，通過設(shè)置相應(yīng)的負(fù)偏壓，建立一個(gè)減速電場(chǎng)，當(dāng)電子通過這個(gè)電場(chǎng)的時(shí)候會(huì)被減速，加速電壓小于負(fù)偏壓絕對(duì)值的電子無法克服減速電場(chǎng)，只有加速電壓大于負(fù)偏壓絕對(duì)值的電子能夠通過減速電場(chǎng)，進(jìn)而被電荷收集極接收形成電流信號(hào)，分析相應(yīng)負(fù)偏壓下收集極接收到的電流大小就可以得到電子的能量分布。由于行波管電子注的電流較大而直徑較小，如果直接接收整個(gè)電子注進(jìn)行測(cè)量，很可能因?yàn)榭臻g電荷效應(yīng)造成電子注在能量分析器中產(chǎn)生較大的徑向發(fā)散而無法正確測(cè)量其能量。因此減速電場(chǎng)能量分析器一般都是利用一個(gè)采樣孔采集一定位置的一部分電子進(jìn)行分析。本文設(shè)計(jì)的能量分析器利用一個(gè)采樣方孔，掃描、采集和分析電子注截面上一定位置的電子，然后把各個(gè)位置點(diǎn)上相同電壓下的電流相疊加,就得到整個(gè)電子注相同電壓下的電流值，進(jìn)而得到電子注的能量分布。

　　設(shè)計(jì)的能量分析器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該結(jié)構(gòu)長(zhǎng)為60 mm，最大直徑為60 mm。采樣薄片中心為方孔，可以根據(jù)入射的不同電子注的直徑選擇相應(yīng)合適的尺寸。高壓環(huán)內(nèi)徑44 mm，厚度為2 mm; 減速環(huán)中心是直徑為4 mm 的通孔，通孔深1 mm; 收集極內(nèi)徑44 mm，深14 mm。高壓環(huán)和減速環(huán)邊沿有小孔，可接入高壓線; 收集極底端有信號(hào)接頭，可輸出采集到的電流信號(hào)。屏蔽端蓋、高壓環(huán)、減速環(huán)、收集極和屏蔽外筒依靠絕緣陶瓷環(huán)定位和連接，材質(zhì)均為無磁不銹鋼。屏蔽端蓋上焊接有螺桿，通過螺母固定到屏蔽外筒上。屏蔽外筒兩側(cè)和連接頭上端有開槽，分別用于引入高壓線和引出信號(hào)線。連接頭和屏蔽外筒連接成一體，固定到電子注分析系統(tǒng)中精密三維移動(dòng)工作臺(tái)上，整個(gè)能量分析器便可隨著伺服電機(jī)動(dòng)作而移動(dòng)掃描分析電子注。

圖1 減速電場(chǎng)能量分析器結(jié)構(gòu)示意圖

　　測(cè)量電路如圖2 所示。電子注從能量分布分析器正上方入射到內(nèi)部。由于高壓環(huán)和減速環(huán)所加負(fù)偏壓的作用，射入的電子減速前進(jìn)，能量低于減速電場(chǎng)能量的電子返回打到屏蔽端蓋上; 能量高于減速電場(chǎng)能量的電子通過減速環(huán)中心的通孔，再次加速后打到收集極上。從收集極引出信號(hào)線，接入到電流電壓轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)采集卡，再連接到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，使用組態(tài)軟件LabVIEW 便可讀出電流值。逐漸改變高壓環(huán)和減速環(huán)上的電壓，使得具有不同能量的電子打到收集極，通過記錄所加電壓和對(duì)應(yīng)的電流值，就可以計(jì)算出電子注的能量分布曲線。

圖2 能量分析器測(cè)量電路示意圖

結(jié)論

　　本文根據(jù)減速電場(chǎng)法的原理，通過CST 粒子工作室模擬仿真，設(shè)計(jì)了一種采用減速環(huán)和采樣方孔結(jié)構(gòu)的圓柱形能量分析器，用來實(shí)際測(cè)量了一個(gè)寬帶行波管電子槍的能量分布，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進(jìn)行了分析比較。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好，為下一步改進(jìn)減速電場(chǎng)能量分析器和測(cè)量行波管互作用后的電子能量分布狀態(tài)提供了依據(jù)。