超短電子脈沖展寬的外場(chǎng)依賴(lài)性分析
根據已有文獻研究結果, 建立了Boersch 效應電子脈沖展寬物理分析模型, 確立了以時(shí)間彌散特征參量為核心參數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(chǎng)的依賴(lài)性。結果表明: 相比勻速漂移場(chǎng), 加速場(chǎng)具有較好的抑制電子脈沖展寬作用, 而減速場(chǎng)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而言, 除了已知的兩個(gè)區域 光陰極附近和偏轉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(shí)其時(shí)間彌散也是非常顯著(zhù)的。此結論對高性能電子槍工程設計具有重要的理論指導價(jià)值。
時(shí)間分辨超快現象研究正在應用基礎及高新技術(shù)研究等諸多領(lǐng)域展開(kāi), 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(shí)間分辨超快現象研究中發(fā)揮著(zhù)難以替代的作用。為了提高其時(shí)間分辨率, 產(chǎn)生脈寬在100 fs 左右且每個(gè)脈沖包含103~104 個(gè)電子、電子能量10~50 keV 而脈沖能量彌散僅為幾個(gè)伏特的超短電子脈沖技術(shù)早已被提上日程。然而, 此類(lèi)技術(shù)目前仍處于研究階段而未能進(jìn)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(zhù)的Boersch 效應, 這兩個(gè)因素會(huì )導致嚴重的電子脈沖展寬。正因此, 至今相關(guān)學(xué)者已在電子脈沖展寬及壓縮方面做了大量的理論及實(shí)驗研究, 且得到了不同精度的分析結果。但遺憾的是, 已有分析除了引入復雜的理論推導之外, 其結果并沒(méi)有給出超短電子脈沖展寬對外場(chǎng)依賴(lài)性的總括性結論,而此結論往往是高性能電子槍工程設計的宏觀(guān)指導依據。
本文依據已有研究結果, 建立了Boersch 效應電子脈沖展寬的物理分析模型, 確立了以時(shí)間彌散特征參量為核心參數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(chǎng)的依賴(lài)性。結果表明: 相比勻速漂移場(chǎng), 加速場(chǎng)具有較好的抑制電子脈沖展寬作用, 而減速場(chǎng)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, 電子脈沖傳輸系統由相關(guān)電極( 亦可包括磁極) 構成。此系統中任意電子在任意時(shí)刻都受到四種力的作用: 電極系統產(chǎn)生的外場(chǎng)、脈沖內部其他運動(dòng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力以及光陰極鏡像電荷的作用力。據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(chēng)電子脈沖傳輸系統的對稱(chēng)軸。這里以在時(shí)域上滿(mǎn)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
研究結果表明：Boersch效應對電子脈沖相關(guān)參量的影響體現在兩個(gè)方面 橫向束徑尺寸延展和縱向脈沖時(shí)域展寬, 且后者較為顯著(zhù); 同時(shí)相比不考慮Boersch 效應的情形,電子脈沖前后沿的時(shí)域展寬具有良好的對稱(chēng)性。因而為討論簡(jiǎn)便起見(jiàn), 這里忽略電子脈沖傳輸過(guò)程中的橫向束徑尺寸延展。設電子脈沖沿z 軸方向傳輸, 其內部電子數為N 、脈沖束徑為r 0 以及t 時(shí)刻縱向尺寸為l (t) , 則據電場(chǎng)疊加原理即可求得此時(shí)電子脈沖內建場(chǎng)軸上電場(chǎng)分布
其中正電場(chǎng)的方向沿z 軸正向, p(t) 為t 時(shí)刻電子脈沖內部空間電荷密度, 且有
不同時(shí)刻電子脈沖內部軸上電場(chǎng)分布如圖2 所示。由圖可知: 在任意時(shí)刻電子脈沖內建場(chǎng)關(guān)于脈沖中心對稱(chēng)且脈沖中心的內建場(chǎng)為0。若設電子脈沖所置其中的軸向外場(chǎng)為E0, 則t 時(shí)刻電子脈沖內部軸向電場(chǎng)分布為
因此, t 時(shí)刻電子脈沖展寬將由Etotal(z , t) 決定。
圖2 電子脈沖內部軸上電場(chǎng)分布
針對高時(shí)間分辨率電子槍系統的發(fā)展現狀及拓展瓶頸, 本文在綜合分析已有研究結果的基礎上建立了Boersch 效應電子脈沖展寬的物理分析模型, 通過(guò)引入的以時(shí)間彌散特征參量為核心參數的電子脈沖展寬表征理論, 分析了電子脈沖展寬對外場(chǎng)的依賴(lài)性。得出的結論為: 相比勻速漂移場(chǎng), 加速場(chǎng)具有較好的抑制電子脈沖展寬作用, 而減速場(chǎng)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而言, 除了已知的電子脈沖時(shí)間彌散較為嚴重的兩個(gè)區域-光陰極附近和偏轉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的區間內部, 光電子脈沖的時(shí)間彌散也是非常顯著(zhù)的。此結論對高性能電子槍工程設計具有重要的理論指導價(jià)值。
