測量行波管電子注的減速電場(chǎng)能量分析器的研究

　　為測量行波管電子注的能量分布，本文設計和驗證了一個(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)電荷收集極構成，通過(guò)調節減速環(huán)的負偏壓,選擇相應能量的電子，就得到電子注的能量分布。計算機仿真結果表明該分析器對于低能量(幾千電子伏到10 keV) 的電子注具有良好的分辨率。實(shí)驗測量了一個(gè)導流系數為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)驗數據與仿真模擬結果具有較好的一致性。

　　電子注的參數在很大程度上決定了行波管的性能。進(jìn)入互作用區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(guò)高頻結構，經(jīng)過(guò)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降壓收集極的效率，這就需要確定電子注的能譜結構，合理優(yōu)化降壓收集極，提高效率。當前有眾多計算機軟件可以進(jìn)行電子光學(xué)系統的設計，但是由于熱初速效應，陰極表面粗糙度和像差效應等原因，實(shí)際電子槍發(fā)射的電子注與根據理論計算和計算機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理論計算得到的互作用后的電子注的能量分布進(jìn)行設計的，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，并且驗證大信號理論計算，有必要研究實(shí)際電子注的能量分布情況。測量電子注能量分布的方法有很多，如減速電場(chǎng)法、磁偏轉法、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，適用于測量能量為幾千電子伏到10 keV 之間的電子注。應用于實(shí)驗的減速電場(chǎng)能量分析器有很多種，傳統的平行板減速電場(chǎng)能量分析器應用于等離子體測量，電子云分析和離子束測量等。這些能量分析器體積和分辨率方面都無(wú)法滿(mǎn)足測量行波管電子注能量分布的要求。

　　本文為測量行波管電子注能量分布設計了一個(gè)減速電場(chǎng)能量分析器。該能量分析器由連接負偏壓的減速環(huán)，采樣方孔和電荷收集極構成，通過(guò)調節減速環(huán)的負偏壓，使得相應能量的電子通過(guò)減速環(huán)進(jìn)入電荷收集極，形成電流信號，分析相應電壓下的電流大小就得到電子注的能量分布。通過(guò)測量一個(gè)寬帶行波管的電子槍驗證該測量方法和結構的有效性，為下一步改進(jìn)能量分析器和測量行波管互作用后的電子能量分布狀態(tài)提供依據。

1、設計與仿真

　　減速電場(chǎng)能量分析器的基本原理是，通過(guò)設置相應的負偏壓，建立一個(gè)減速電場(chǎng)，當電子通過(guò)這個(gè)電場(chǎng)的時(shí)候會(huì )被減速，加速電壓小于負偏壓絕對值的電子無(wú)法克服減速電場(chǎng)，只有加速電壓大于負偏壓絕對值的電子能夠通過(guò)減速電場(chǎng)，進(jìn)而被電荷收集極接收形成電流信號，分析相應負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)行測量，很可能因為空間電荷效應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(wú)法正確測量其能量。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。本文設計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。

　　設計的能量分析器結構如圖1 所示。該結構長(cháng)為60 mm，最大直徑為60 mm。采樣薄片中心為方孔，可以根據入射的不同電子注的直徑選擇相應合適的尺寸。高壓環(huán)內徑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(xiàn); 收集極底端有信號接頭，可輸出采集到的電流信號。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(wú)磁不銹鋼。屏蔽端蓋上焊接有螺桿，通過(guò)螺母固定到屏蔽外筒上。屏蔽外筒兩側和連接頭上端有開(kāi)槽，分別用于引入高壓線(xiàn)和引出信號線(xiàn)。連接頭和屏蔽外筒連接成一體，固定到電子注分析系統中精密三維移動(dòng)工作臺上，整個(gè)能量分析器便可隨著(zhù)伺服電機動(dòng)作而移動(dòng)掃描分析電子注。

圖1 減速電場(chǎng)能量分析器結構示意圖

　　測量電路如圖2 所示。電子注從能量分布分析器正上方入射到內部。由于高壓環(huán)和減速環(huán)所加負偏壓的作用，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(guò)減速環(huán)中心的通孔，再次加速后打到收集極上。從收集極引出信號線(xiàn)，接入到電流電壓轉換模塊和數據采集卡，再連接到工業(yè)控制計算機，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(guò)記錄所加電壓和對應的電流值，就可以計算出電子注的能量分布曲線(xiàn)。

圖2 能量分析器測量電路示意圖

結論

　　本文根據減速電場(chǎng)法的原理，通過(guò)CST 粒子工作室模擬仿真，設計了一種采用減速環(huán)和采樣方孔結構的圓柱形能量分析器，用來(lái)實(shí)際測量了一個(gè)寬帶行波管電子槍的能量分布，并對實(shí)驗數據和仿真結果進(jìn)行了分析比較。數值模擬與實(shí)驗結果吻合得較好，為下一步改進(jìn)減速電場(chǎng)能量分析器和測量行波管互作用后的電子能量分布狀態(tài)提供了依據。