宽范围高精度电子枪系统的设计与验证

张昊炜 王胜利 李德明 黄建鸣

1（中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800）

2（中国科学院大学 北京 100049）

电子枪是产生电子束流的装置，最常用的两极枪结构由发射电子的阴极和引出电子的吸极构成。栅控的三极电子枪是在两极枪的基础上，在靠近阴极处增加用于控制电子束的第三极栅极。相对于调控阴极温度或吸极电压的方式，用栅极电压来调控电子束流，调节精度更高响应时间更快。栅极的常用结构是由栅丝构成的正交、轮辐等形状的栅网［1-4］，也有少量栅极使用栅孔［5-6］。栅极上加相对于阴极的负电位用于调节和截止电子束，或者加相对于阴极的正电位用于增强引出电子束的能力［2，7-9］。

电子枪经常用于微波电子器件、影像分析、辐照、焊接和加速器等领域［10-14］，对电子枪应用的研究经常集中在以下几个方向，包括直流小量级束流、在直流小量级基础上依靠脉冲来获得宽范围量级束流和强流直流窄范围甚至单一状态的使用，对宽范围使用直流的电子枪很少有研究涉及。

“空间环境地面模拟装置”是“十二五”国家重大科技基础设施项目，项目中使用加速器产生不同的粒子束来模拟空间粒子辐射。本研究基于其子项目“低能电子加速器及束线”，在原有加速器二极枪的基础上添加了控制栅极，通过研究电子枪结构参数和电参数对引出束流的影响，研制出束流调节范围宽、精度高且连续可调的直流电子枪，可为电子枪后续的加速段提供高品质的电子束。

1 电子枪系统的仿真研究

电子枪主要由栅板、阴极、栅极、吸极等几部分组成，整体结构如图1所示。其中阴极灯丝是由钨丝绕成盘蚊香形，形成半径4 mm的平面发射面，通过延长的两脚固定在灯丝夹上，与枪压板外的阴极电极相连。热阴极本身具有足够的发射能力，因此栅极选用结构更简单的栅孔，同时栅极只加负电位，用于调节和截止电子束，降低了对栅极电源的要求，系统更稳定。筒状的吸极引出电子，并让电子束通过以供后续加速段使用。

图1 电子枪系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of electron gun system

CST Studio Suite是一款基于有限积分法的三维电磁仿真软件［15］，其子模块CST Particle Studio用于计算带电粒子与电磁场相互作用，它的电子枪求解器计算带有空间电荷效应的电磁场和粒子轨迹。基于电子枪系统的结构在CST中建立模型，如图2剖面图所示，其中主要可调整的结构参数和电参数的初始值如表1所示，设置Z向为法向边界条件、X向、Y向为切向边界条件，阴极发射模型为带空间电荷限流的热发射模型，运行电子枪求解器就可得到仿真的束流轨迹。

图2 电子枪模型Fig.2 Model of electron gun

表1 电子枪参数初始值Table 1 Initial value of electron gun parameter

1.1 电子枪结构参数的影响规律

为了优化电子枪的结构，对电子枪结构参数进行了研究，主要包括栅孔半径大小、栅极阴极距离、吸极阴极距离。在相同的初始条件下，将栅极孔径半径大小从2.6 mm以步长0.1 mm调整至3.4 mm时，引出束流强度的变化如图3所示，随着栅孔半径的增大，其及其负电位对发射出的电子阻碍越小，引出的束流强度越大；将栅极阴极距离从0.8 mm以步长0.1 mm调整至1.6 mm时，引出束流强度的变化如图4所示，栅极阴极的距离越大，能突破栅极负电位封锁的电子越少，引出的束流强度就越小；将吸极阴极距离从25 mm以步长5 mm调整至45 mm时，引出束流强度的变化如图5所示，吸极距阴极的距离越远，对栅极孔内电子的引出能力就越弱，引出的束流强度越低。

图3 栅极孔径与引出束流强度的关系Fig.3 Relationship between grid aperture and beam current

图4 栅极阴极距离与引出束流强度的关系Fig.4 Relationship between grid-cathode distance and beam current

图5 吸极阴极距离与引出束流强度的关系Fig.5 Relationship between puller-cathode distance and beam current

1.2 50 mA束流强度的仿真设计

本文所研究的电子枪拟用于辐照加速器作为电子源，束流在被引出电子枪后还要经过较长的加速管漂移段，最终在加速管末端形成小束斑，即在电子枪出口应获得接近平行的束流。同时，栅极负电位和吸极正电位在栅极开孔处形成了一个会聚场，在吸极筒入口处形成一个发散场，束流在出栅极口后会聚形成束腰，再发散进入吸极筒，即一种过聚再发散的状态，所以仿真设计就是找到相互配合的枪参数使束流不过于会聚或发散。

通过仿真计算，设计出能够引出50 mA束流、不明显会聚或发散、接近平行的电子枪，轨迹图、相图和主要参数如图6、表2所示。使用PBGUNS（Particle Beam GUN Simulation）软件进行验证，所得结果相似，电势图、束流轨迹图和相图见图7。

图6 50 mA束流的轨迹图(a)和相图(b)Fig.6 Trajectory(a)and phase diagram(b)of 50 mA beam

表2 电子枪参数优化值Table 2 Optimal value of electron gun parameter

图7 PBGUNS仿真的电势分布、轨迹(a)和相图(b)Fig.7 Potential distribution,trajectory(a)and phase diagram(b)simulated by PBGUNS

2 电子枪系统的实验研究

2.1 电子枪实验平台

为了实际测试用于加速器的高精度宽范围直流电子枪，搭建了电子枪实验平台进行实验。电子枪实验平台［16］主要由电源系统、电子枪、加速管、测量系统、真空系统和控制系统等组成（图8）。电子枪固定于加速管上方负高压端，所使用的负高压电源的参数为-40 kV/500 mA。220 V的交流电经100 kV隔离变压器给置于负高压平台上的各电源供电。0～220 V的交流电经灯丝变压器后给电子枪的阴极灯丝供电，灯丝变压器的参数：输入220 V/2 A，输出5 V/40 A；栅极上加负电压进行束流调节和截止，栅极电源的参数为-1 kV/10 mA；筒状的吸极固定在加速管的第一电极上，吸极电源的参数为30 kV/5 mA。

图8 电子枪实验平台示意图Fig.8 Schematic diagram of electron gun experimental platform

通过测量束流强度和束流密度分布得到电子枪引出电子束的品质。束流强度由接在加速管后方的法拉第筒测得，采用扫描丝法可测量50 mA束流的束流密度分布。平台中使用的扫描丝测量装置置于法拉第筒前加速管四通之中，由电机带动金属丝横向扫过加速管下端，束流打在金属丝上形成的电流通过电阻转换成电压，测量电压就可得到束流密度分布信息。真空系统由机械泵和分子泵等组成，可保证实验时的真空度处于10-4Pa量级。

高压平台上的各电源由传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）模块进行控制；为了隔离高压，TCP模块通过光纤与上位计算机进行通讯；通过由Visual C++开发的计算机界面来实现对整个平台的状态监测和控制。

实验中保持加速管高压-20 kV不变，以保证束流最终能量不变。调试时将阴极初级加热电压作为粗调，同时把栅极负电压细调以保证调节精度和快速响应。调试时使束流不过聚再发散、得到好的束流品质是实验重点。由于电子枪是1 μA～50 mA宽范围使用，各量级束流状态不同，在最终确定枪结构时需要对各量级束流品质做出权衡，同时需要优先保证大量级束流的品质。

2.2 电子枪结构参数的影响规律

通过更换不同开孔半径的栅极片调整栅极孔径大小。图9给出的是栅孔孔径半径在3 mm、3.5 mm和4 mm时，引出的束流强度随阴极初级加热电压的变化情况。从图9可以看出，在相同阴极初级加热电压下，4 mm栅孔引出的束流强度最大，3.5 mm和3 mm依次减小，与仿真得到的规律相对应。

图9 不同栅极孔径时阴极初级加热电压与引出束流强度的关系Fig.9 Relationship between cathode primary heating voltage and beam current with different grid aperture radius

实验中通过改变栅极阴极间绝缘片的厚度调整栅极阴极距离。表3给出的是相同的条件下，引出的束流强度随栅极阴极距离的变化情况，与仿真规律相符。

表3 栅极阴极距离与引出束流强度的关系Table 3 Relationship between grid-cathode distance and beam current

实验中通过改变电子枪与加速管间垫块的厚度调整吸极阴极距离。表4给出的是相同条件下，引出的束流强度随吸极阴极距离的变化情况，与仿真规律相符。

表4 吸极阴极距离与引出束流强度的关系Table 4 Relationship between puller-cathode distance and beam current

2.3 调试结果与分析

与仿真情况类似，实验中大多数结构下电子枪引出的束流处于发散状态。依照实验规律对结构参数、电参数进行细调，以求电子枪能引出高品质的电子束流。

经过大量调试实验，对电子枪结构参数做出权衡后，得到在栅孔半径为3 mm、栅极阴极距离为1.15 mm、吸极阴极距离在22 mm、吸极电压为12.5 kV时，使用阴极初级加热电压作为粗调、栅极电压作为细调，电子枪能够引出1 μA～50 mA高品质电子束，当栅极电压为-750 V时，能将束流完全截止。图10展示了引出10 mA、30 mA和50 mA束流强度时，用扫描丝测量装置得到的束流密度分布，其纵坐标为电压，横坐标为宽度。图11展示出阴极初级加热电压分别为82.28 V、97.24 V和150.48 V时，引出束流强度随栅极电压的关系。

图10 10 mA(a)、30 mA(b)、50 mA(b)束流密度分布Fig.10 Beam density distribution of 10 mA(a),30 mA(b),50 mA(c)beam

图11 阴极加热初级电压设置为82.28 V(a)、97.24 V(b)、150.48 V(c)时栅极电压与束流强度关系曲线Fig.11 Relation curves between grid voltage and beam current when cathode primary heating voltage setting at 82.28 V(a),97.24 V(b),150.48 V(c)

所选取的电子枪最终结构优先保证了10～50 mA束流的束流品质。实验中存在其他结构引出的10 mA及以下束流的束流品质优于当前结构，但出于大流强束流品质、灯丝工作温度等考虑，仍最终选取当前结构。小流强的束流也可以由较大流强通过狭缝等限流措施得到。

CST非专用电子枪设计软件，其仿真能够体现电子枪的结构参数变化时对引出束流品质的影响规律，但引出1 μA～50 mA束流时具体结构参数与电子枪的实际结构参数存在偏差。

仿真中更近的栅极阴极距离电子枪引出束流的品质更好，实际实验中，较近的栅极阴极距离会使栅极受热变形，严重时与栅板、阴极接触造成短路。

3 结语

按照辐照加速器提出的要求，在原有二极电子枪基础上增加了控制极栅极，仿真研究了栅极孔径大小、栅极阴极距离、吸极阴极距离改变时对引出束流强度的影响，设计出了引出50 mA束流的仿真电子枪。在电子枪实验平台上验证了前述结构参数变化时的规律，最终确定的结构能够使电子枪引出1 μA～50 mA直流束流、有较高的束流品质、能够使用-750 V栅极电压截止，同时用阴极初级加热电压作为粗调、栅极电压作为细调的方式也能保证精度。所做研究为三极枪直流宽范围使用提供了经验，为后续辐照加速器建造和调试打下基础。

下一步的工作计划选择耐更高温度的栅极材料，比如钼，减小栅极阴极距离，电子枪有可能引出更好品质的束流。

作者贡献声明张昊炜：负责模型建立与数据分析整理，起草论文；王胜利：指导论文写作结构与论文的修改；李德明：协助起草和修改论文；黄建鸣：统筹实验装置。