远距离传输的电子枪光学系统研究

摘要

电子枪用于产生满足一定需求的电子注，而聚焦及偏转系统可以实现对电子注的传输控制，电子枪、聚焦及偏转系统一起构成了电子枪光学系统。设计良好的电子枪光学系统可以提供具有一定能量大小，轨迹发散小，满足传输距离要求的电子注，这种性质的电子注在新型太赫兹源的研究和材料熔炼等方面有重要的应用，对电子枪光学系统进行研究有着重要的科研及工程价值。
　　本文对远距离传输的小型化电子枪及大功率电子枪系统开展了仿真建模研究。小型化电子枪是为了在新型太赫兹源的研究中作为激励金属微纳结构产生太赫兹辐射输出的能量源，由于实验在高真空环境中进行，微纳结构和电子枪的安放位置相对较远，因而电子注具有远距离稳定传输的能力对实验成败至关重要的。对于小型化电子枪系统，主要研究内容和结论为：依据发射电子注的指标要求，利用CST软件对电子枪开展了初始结构建模；在初始模型的基础上，对电子枪枪区结构开展了优化，得到了阴极发射面和阳极的间距，聚焦极内半径的大小以及阳极和聚焦极的距离对电子注稳定传输性能影响显著；给出了枪区优化后的参数大小，并使用MAGIC软件对优化后的枪区进行了仿真研究，MAGIC的仿真结果和CST的结果一致；对聚焦系统进行了仿真研究，确定了两级聚焦线圈的结构尺寸和相对位置关系；对电子枪系统中的偏转模块进行了仿真研究，偏转系统采用两对通电线圈结构，在仿真中给出了电子注理论偏转位置与仿真偏转位置间的关系，通过理论计算可以准确预估仿真结果；给出了电子枪系统最终仿真结构，并依据结构绘制了加工图纸。
　　大功率电子枪系统主要用于熔炼金属，其工作电压为75kV，额定发射束流为4A。在实际使用中，大功率电枪要熔炼坩埚中的金属，为了使用安全，电子枪和坩埚不在一个系统中，电子注从枪区发射出来后需要控制系统将其引导至坩埚中完成熔炼，这就对电子注稳定进行远距离传输提出了很高的要求。对于大功率电子枪系统，主要工作及结论为：对系统各部分进行了结构设计，大功率电子枪采用块状阴极，阴极中心开有通孔，通孔的存在可以避免阴极受到阳离子轰击，聚焦系统采用开缝铁壳线圈结构，铁壳的存在可以提高线圈磁场强度并抑制漏磁；对枪区开展了结构优化，仿真结果表明，阴极块放置的位置、聚焦极倾角大小、聚焦极和阳极的距离等对电子注传输轨迹影响显著，而阳极的大小和形状、小范围内变化的加速电压和发射电流大小对电子注传输轨迹基本不产生影响；对包裹有开缝铁壳的聚焦线圈开展了优化仿真，得到了线圈电流和匝数大小对其产生的磁场影响大，而铁壳开缝大小和线圈的外半径对其产生的磁场基本没有影响等结论；确定了系统的最终结构，优化后的系统产生的电子注轨迹发散小，传输距离远。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 强流电子光学发展

1.3 大功率电子枪系统的发展与研究现状

1.4 论文研究内容及结构安排

第二章 电子枪光学系统理论分析

2.1 电子枪理论及主要参数

2.2 轴对称电子枪中的场分析

2.3 电子在轴对称场中的运动

2.4 小结

第三章 小型化电子枪光学系统研究

3.1 电子枪枪区结构研究

3.2 聚焦系统研究

3.3 偏转系统研究

3.4 小结

第四章 大功率电子枪光学系统研究

4.1 电子枪枪区研究

4.2 传输控制系统研究

4.3 系统仿真建模研究

4.4 系统主要参数对电子注传输性能的影响

4.5 系统结构优化

4.6 小结

第五章 小型化电子枪工程设计及实现

5.1 工程设计及实现

5.2 工作安排及主要实验内容

5.3 小结

第六章 总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献