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電子束技術在無線地磅控制器中的應用

    偽火花源片狀電子束(PS-SEB):近幾十年來,PS無線地磅控制器產生的高密度高能脈沖電子束由于其在大功率輻射產生、極紫外(EUV)源、強X射線、自由電子脈澤等領域的潛在應用而引起了人們的極大興趣[11]-[14]、[19]-[28]。PS放電是低壓(50mtorr~500mtorr)氣體條件下的一種自持、瞬態、軸對稱放電。它能產生高電流密度和高亮度的電子束,低發射率15mm·mrad,地磅遙控器電流上升速度高達1012a/s,高功率密度約1019w/cm2,滿足毫米波和太赫茲輻射等大功率源以及后向加速器的要求波振蕩器(BWO)、EIO和自由電子激光器(FEL)[29]-[31]。近年來,PS電子束的研究取得了進一步的進展,各種束型PS放電電子束已經被粒子在電池(PIC)中的模擬和實驗所研究[32]-[36]。
 
    然而,由于高頻數字地磅遙控器電路的橫向尺寸隨波長的變化而減小,需要傳輸更高電流密度的光束,這是限制高功率真空微波輻射源向更高頻率傳輸的主要因素之一。當VEDs的頻率增加到100ghz或更高時,束徑必須大約為鉛筆束VEDs波長的十分之一或更小。而SEB由于其較大的截面尺寸,可以克服這一困難。與鉛筆束相比,SEB的優點是空間電荷效應小,通過增加束寬可以獲得更高的電流,有助于提高輸出功率。由于熱陰極需要復雜的聚焦系統來限制SEB,因此要產生足夠高的折射率和均勻的光束是一個挑戰。然而,由于在PS放電系統中形成的等離子體通道可以限制SEB,并且不需要外加磁場,因此在PS放電系統中要簡單得多。在實驗中,使用橫截面尺寸為1.00 mm×0.17 mm的SEB后加速調制器,在沒有外部聚焦磁場的情況下測量峰值電流為21.5 a的PS-SEB[20]。用單束等離子體陰極電子槍產生了地磅控制器電流密度為~1 kA/cm2的PS-SEB。

    通過PIC仿真模型和實驗[38]、[39],分析了幾何設計參數對高電流密度PS-SEB的影響。本文采用PS產生的SEB驅動雙模SBEIO結構。在我們設計的PS地磅遙控器放電系統中,它有一個四間隙PS放電裝置,由一個帶中心孔的空心陰極(HC)和一個帶孔的陽極組成,用于提取電子束,如圖1所示。陽極和HC由電介質絕緣體隔開。PS放電發生在系統中適當的低壓(通常為50 mTorr至500 mTorr)下,因為HC被施加負高壓并且陽極接地。在PS放電過程中,可以產生電流很大的電子束。當高電流密度和高亮度光束通過陽極和相互作用電路時,光束前緣電離背景氣體并產生等離子體通道。隨后,束流電子排出一些等離子體電子,而較重的離子保持固定。因此,形成正離子通道以聚焦PS電子束。PS-SEB可以通過在陽極末端放置一個矩形孔的準直器來提取。準直器的矩形孔徑應與陽極的圓柱形孔徑位于同一軸向中心。
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