切倫科夫輻射的強(qiáng)流電子束均勻性光學(xué)診斷*

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切倫科夫輻射的強(qiáng)流電子束均勻性光學(xué)診斷*

蔡丹1，劉列1，巨金川1，王瀟2

(1.國(guó)防科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410073； 2. 中國(guó)人民解放軍78010部隊(duì)，四川 成都610000)

摘要：透明介質(zhì)中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度大于介質(zhì)中的光速時(shí)就會(huì)產(chǎn)生切倫科夫輻射光。搭建了基于切倫科夫輻射光的強(qiáng)流電子束均勻性診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和空間分辨的納秒級(jí)電子束均勻性光學(xué)診斷。利用程序?qū)υ\斷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上對(duì)兩種天鵝絨陰極發(fā)射均勻性進(jìn)行光學(xué)診斷測(cè)量。結(jié)果表明：在相同電參數(shù)下，碳纖維天鵝絨較化纖天鵝絨具有更好的發(fā)射性能，與之對(duì)應(yīng)的切倫科夫輻射光斑面積更大，其亮度掃描曲線不但中心增強(qiáng)區(qū)域較化纖天鵝絨寬，在其邊緣附近也有較強(qiáng)的亮度分布；通過(guò)分析切倫科夫輻射光斑的分布和強(qiáng)弱的時(shí)間分辨圖像，可以得到陰極在電脈沖過(guò)程中的運(yùn)行狀態(tài)，具有10ns～100ns級(jí)時(shí)間分辨特性。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)流電子束；時(shí)間分辨均勻性診斷；高速分幅相機(jī)

強(qiáng)流(束流密度達(dá)幾百到幾千A/cm2)脈沖(10-7~10-6s)電子束在閃光X照相[1]、高功率微波產(chǎn)生[2]和電子束輻照[3]等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。場(chǎng)致爆炸發(fā)射陰極在高壓脈沖電場(chǎng)中能產(chǎn)生強(qiáng)流電子束，是當(dāng)前能夠產(chǎn)生大于1kA/cm2電流密度的唯一一種陰極。這類陰極具有簡(jiǎn)單、易用、只需要少量的輔助設(shè)備等優(yōu)勢(shì)。但是，也有嚴(yán)重的缺點(diǎn)和局限，例如放氣量大、電子非均勻發(fā)射、間隙閉合等[2]。陰極發(fā)射均勻性是衡量束流品質(zhì)的重要參量之一，它不但會(huì)影響高功率微波器件的輸出功率、束波轉(zhuǎn)化效率，還會(huì)影響微波輸出的中心頻率和所激勵(lì)的模式[4-9]。因此，具有時(shí)間和空間分辨陰極發(fā)射均勻性診斷研究對(duì)提高束流品質(zhì)，改善高功率微波(High Power Microwave，HPM)器件性能非常重要。眾所周知，當(dāng)帶電粒子在透明介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)速度大于介質(zhì)中的光速時(shí),就會(huì)產(chǎn)生切倫科夫輻射光。切倫科夫輻射光強(qiáng)度與束流密度成正比，診斷透明輻射靶表面的光強(qiáng)分布，可以反映束流密度分布，進(jìn)而反映陰極發(fā)射的均勻程度[10-11]。蔡丹等搭建了強(qiáng)流二極管陰極發(fā)射均勻性光學(xué)診斷平臺(tái)，利用高速分幅相機(jī)對(duì)兩種天鵝絨陰極發(fā)射均勻性進(jìn)行時(shí)間和空間分辨的光學(xué)診斷測(cè)量。

圖1　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.1　Schematic diagram of experimental setup

1二極管電子束均勻性診斷系統(tǒng)

基于高壓脈沖調(diào)制器和高速分幅相機(jī)的二極管等離子體光學(xué)診斷系統(tǒng)如圖1所示。 初級(jí)儲(chǔ)能電容充電至預(yù)定電壓值后，由控制臺(tái)發(fā)出指令導(dǎo)通場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)接通放電回路。電容通過(guò)脈沖變壓器對(duì)水介質(zhì)脈沖形成線進(jìn)行充電，當(dāng)形成線電壓達(dá)到一定值時(shí)主開(kāi)關(guān)自行導(dǎo)通，所形成的高電壓經(jīng)螺旋形傳輸線延遲后加載到二極管，由爆炸發(fā)射冷陰極產(chǎn)生強(qiáng)流電子束。高壓脈沖調(diào)制器輸出電脈沖半高寬的時(shí)間為110ns，前沿(電壓幅值從10% 上升到 90%的時(shí)間)25ns，電壓幅值200kV～500kV可調(diào)。高壓脈沖調(diào)制器工作在單脈沖模式，運(yùn)行間隔為3~5min。二極管采用平板型結(jié)構(gòu)，陰極材料選擇化纖天鵝絨和碳纖維天鵝絨。陰極直徑6cm，為了抑制陰極邊緣場(chǎng)增強(qiáng)，陰極頭加裝不銹鋼屏蔽環(huán)，高度為2mm。 陽(yáng)極直徑120mm，材料為不同目數(shù)的不銹鋼和黃銅絲網(wǎng)，通過(guò)壓環(huán)與陽(yáng)極套筒螺紋連接。陰陽(yáng)極間距1~5cm可調(diào)。二極管本底氣壓為9.999×10-3~2.666×10-2Pa。二極管電壓和電流通過(guò)電阻分壓器和羅科夫斯基線圈測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中使用高速分幅相機(jī)監(jiān)測(cè)陰極電子轟擊石英輻射靶產(chǎn)生的切倫科夫輻射光。高速分幅相機(jī)有4個(gè)微通道板像增強(qiáng)器模塊，曝光時(shí)間3ns到數(shù)μs可調(diào)，同時(shí)通過(guò)相機(jī)自帶軟件CamWare設(shè)置幅間間隔時(shí)間用來(lái)控制拍照時(shí)序。高速相機(jī)工作模式有單曝光和多曝光兩種，兩種模式的循環(huán)周期均大于320ns。由于加載到強(qiáng)流電子束二極管陰極的高壓脈沖寬度僅為百納秒左右，實(shí)驗(yàn)中高速相機(jī)設(shè)定為單次單曝光模式。如圖1所示，高速相機(jī)選用電觸發(fā)工作模式，高壓脈沖調(diào)制器主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后的負(fù)極性高電壓脈沖經(jīng)電阻分壓器衰減后由信號(hào)處理器轉(zhuǎn)換為上升沿1.5ns 的晶體管-晶體管邏輯電路(Transistor-Transistor Logic，TTL)信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)高速相機(jī)與輻射靶切倫科夫輻射光的納秒級(jí)同步，在主開(kāi)關(guān)后加入用于延時(shí)的螺旋傳輸線(電長(zhǎng)度110ns)。另外，為了防止陰極等離子體發(fā)光對(duì)拍照結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)在石英輻射靶內(nèi)表面粘貼了遮光材料。

2診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到好的診斷結(jié)果，實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)陽(yáng)極套筒長(zhǎng)度和石英轉(zhuǎn)換靶厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用商用粒子模擬(Particle In Cell，PIC)軟件CHIPIC和開(kāi)源蒙特卡洛軟件CASINO[12]對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2為采用實(shí)際結(jié)構(gòu)得到的二極管中典型的電子束相空間圖。二極管電壓設(shè)定為320kV，這是脈沖發(fā)生器穩(wěn)定運(yùn)行的典型值。圖2(a)為陰陽(yáng)極間隙dak=3.5cm的情況，由陰極產(chǎn)生的強(qiáng)流相對(duì)論電子束通過(guò)陽(yáng)極網(wǎng)后，由于沒(méi)有導(dǎo)引磁場(chǎng)，在空間電荷斥力作用下產(chǎn)生徑向膨脹。圖2(b)將陰陽(yáng)極間隙縮小到dak=1.5cm，可以發(fā)現(xiàn)，電子束由陰極表面向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，束斑的半徑不斷減小，產(chǎn)生了明顯的束流箍縮，電子在穿過(guò)陽(yáng)極網(wǎng)后，自磁場(chǎng)產(chǎn)生的箍縮力仍然大于空間電荷斥力，但是隨著束斑半徑繼續(xù)減小，空間電荷斥力迅速增大，當(dāng)束斑半徑達(dá)到最小值(束腰)時(shí)，空間電荷斥力大于自箍縮力，電子束流在陽(yáng)極筒內(nèi)無(wú)法正常傳輸，很多電子轟擊在陽(yáng)極支撐筒壁上。另外，由于束流的向內(nèi)箍縮，會(huì)破壞原有的束流分布，使得診斷結(jié)果毫無(wú)意義。束斑減小，沉積到陽(yáng)極網(wǎng)上的能量密度增大，不但會(huì)損害陽(yáng)極網(wǎng)的壽命，同時(shí)也容易產(chǎn)生陽(yáng)極等離子體，加快二極管閉合，影響二極管的正常運(yùn)行。因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了保證束流的正常傳輸和有限的徑向膨脹，選擇陰陽(yáng)極間隙為3.5cm，陽(yáng)極支撐筒長(zhǎng)為10cm(轟擊到石英表面的電子束半徑為5cm)，內(nèi)徑為6cm。

(a)陰陽(yáng)極間隙 dak=3.5cm(a) dak=3.5cm

(b)陰陽(yáng)極間隙 dak=1.5cm(b) dak=1.5cm圖2　典型的電子相空間圖Fig.2　Typical phase-space picture of electrons

實(shí)驗(yàn)中，為避免強(qiáng)流電子束穿透石英轉(zhuǎn)換靶且對(duì)真空腔進(jìn)行密封，石英靶必須具有一定厚度，但也不能太厚，太厚會(huì)影響診斷結(jié)果的精度。圖3為二極管電壓320kV時(shí)入射到石英靶上的電子束動(dòng)量的徑向和軸向分量之比Pr/Pz與電子束入射位置R的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)電子轟擊到石英玻璃的最大半徑約為6cm。隨著R的增加，Pr/Pz絕對(duì)值增大，Pr/Pz絕對(duì)值幾乎都小于0.5，對(duì)應(yīng)于電子束與石英靶表面夾角θ為63.4°，也就是說(shuō)電子束以大于63.4°的入射角輻照到石英靶上。另外，通常二極管電壓典型值為300kV~400kV。因此有必要對(duì)不同電壓和入射角情況下電子束穿透深度進(jìn)行計(jì)算，以便設(shè)計(jì)石英輻射靶厚度。

圖3　石英輻射靶上Pr/Pz與R的關(guān)系Fig.3　Relationship between Pr/Pzand R at the surface of quartz slice

圖4為CASINO模擬得到的電子透射深度與電子能量的關(guān)系，這里電子透射深度為電子在輻射靶內(nèi)能夠到達(dá)的最遠(yuǎn)距離。由圖4可知電子透射深度與電子能量成正比，當(dāng)電子能量為360keV時(shí)，電子透射深度為0.83mm。圖5給出了電子透射深度與電子入射角的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)相同能量下，電子的透射深度與入射角度基本無(wú)關(guān)。實(shí)驗(yàn)中，為了保證二極管的穩(wěn)定運(yùn)行，二極管電壓都不高于400kV，石英輻射靶厚度采用3mm。輻射靶厚度大于透射深度主要是由于石英輻射靶還要用作二極管真空腔的真空密封，為了避免石英靶在大氣壓下破損，厚度有所增加。由于厚度增加空間分辨率有所下降，對(duì)于電子能量320keV垂直入射石英靶(厚度3mm)其切倫科夫輻射角約為30°，此時(shí)空間分辨率為3.5mm。

圖4　電子透射深度與電子能量的關(guān)系Fig.4　Relationship between variation of penetrationdepth and electron energy

圖5　電子透射深度與入射角θ的關(guān)系Fig.5　Relationship between variation of penetrationdepth and incidence angle θ

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

圖6為典型的電流電壓波形，陰陽(yáng)極間距為3.5cm。電壓平頂?shù)暮暧^電場(chǎng)強(qiáng)度約為110kV/cm，在電壓波形近似相同的情況下，電流波形存在不同，碳纖維天鵝絨相比化纖天鵝絨的發(fā)射電流幅值要大，電流波形半高寬也更寬。這個(gè)結(jié)果重復(fù)了數(shù)十炮次。

(a)電壓波形(a)Voltage waveforms

(b)電流波形(b)Current waveforms圖6　典型的電壓電流波形Fig.6　Typical voltage and current waveforms

圖7對(duì)比了兩種不同天鵝絨陰極輻射光斑分布特性，拍攝時(shí)刻為電壓加載后80ns，其電流電壓波形如圖6所示，圖7(a)為普通的化纖天鵝絨的輻射光斑；圖7(b)為碳纖維天鵝絨的輻射光斑?；w天鵝絨輻射光斑直徑為56mm，呈現(xiàn)類高斯分布，中心與周圍光強(qiáng)對(duì)比明顯；碳纖維天鵝絨輻射光斑直徑為61mm，呈現(xiàn)輻射狀，光強(qiáng)分布較為均勻。

圖7　切倫科夫輻射光斑分布Fig.7　Distributions of Cherenkov radiation spot

沿輻射靶徑向?qū)D像進(jìn)行亮度掃描，可以得到輻射光強(qiáng)沿徑向的分布，如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)圖像的亮度是非均勻的，中心處為局部亮度增強(qiáng)區(qū)域，由于相機(jī)快門時(shí)間較長(zhǎng)，中心出現(xiàn)曝光過(guò)度，導(dǎo)致光強(qiáng)的飽和。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，碳纖維天鵝絨其邊緣附近有較強(qiáng)的亮度分布，這印證了碳纖維天鵝絨發(fā)射電流和有效發(fā)射面積較大的結(jié)論。

(a)化纖天鵝絨(a) Polymer velvet

(b) 碳纖維天鵝絨(b) Carbon fiber velvet圖8　亮度掃描曲線Fig.8　Brightness scanning curves

(c)二極管電壓電流波形(c) Voltage and current of diode圖9　石英轉(zhuǎn)換靶上切倫科夫輻射光的演化過(guò)程Fig.9　Typical evolution of electron Cherenkov light images from quartz target

圖9為切倫科夫輻射光斑隨時(shí)間的演化過(guò)程，圖9(a)為輻射靶石英玻璃的對(duì)焦照片，石英玻璃的直徑為70mm；圖9(b)為高速相機(jī)拍到的輻射光斑隨時(shí)間的演化過(guò)程圖像；對(duì)應(yīng)的電壓電流波形和拍攝時(shí)機(jī)如圖9(c)所示，快門時(shí)間均為10ns。0~10ns時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電子束轟擊石英板產(chǎn)生的切倫科夫輻射光斑，分析電壓電流波形(圖9(c))可以發(fā)現(xiàn)，盡管二極管電壓幅值超過(guò)了切倫科夫輻射的閾值電壓(190kV)，但是此時(shí)的電流較小，因此光產(chǎn)額較?。?0ns~70ns時(shí)，有強(qiáng)烈的切倫科夫輻射，輻射光斑呈現(xiàn)類高斯分布，中心區(qū)域光強(qiáng)很強(qiáng)，此時(shí)的電壓電流幅值以及單個(gè)電子的光產(chǎn)額和電子束密度都較0~10ns時(shí)明顯增大；120ns~130ns時(shí)，隨著電壓脈沖幅值的下降，發(fā)射電流幅值也相應(yīng)減小，此時(shí)光強(qiáng)減弱；180ns~190ns時(shí)，電壓幅值進(jìn)一步減小至低于切倫科夫輻射閾值電壓，切倫科夫輻射光斑基本消失。因此，通過(guò)輻射光斑的時(shí)間演化，可以對(duì)應(yīng)得到陰極的發(fā)射狀態(tài)。

4結(jié)論

強(qiáng)流電子束陰極的非均勻發(fā)射是這類陰極面臨的主要問(wèn)題，影響高功率微波器件的輸出功率、束波轉(zhuǎn)化效率，還會(huì)影響微波輸出的中心頻率和所激勵(lì)的模式[1-7]。研究強(qiáng)流電子束均勻性對(duì)于篩選合適的陰極材料、優(yōu)化設(shè)計(jì)電磁結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高高功率微波器件的輸出性能都具有重要意義。由于強(qiáng)流電子束陰極脈沖式的工作狀態(tài)，脈寬通常在100ns左右，納秒量級(jí)分辨的診斷研究更為迫切。從陰極有效發(fā)射面積、陰極等離子體發(fā)光和電子束切倫科夫輻射光斑這三個(gè)方面對(duì)高功率微波源常用的陰極材料(化纖天鵝絨和碳纖維天鵝絨)的電子束發(fā)射均勻性進(jìn)行了初步研究。實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)脈寬120ns，電壓350kV~450kV的脈沖功率發(fā)生器上進(jìn)行。結(jié)果表明：(1)在相同電參數(shù)下，碳纖維天鵝絨較化纖天鵝絨具有更好的發(fā)射性能，與之對(duì)應(yīng)的切倫科夫輻射光斑面積更大，其亮度掃描曲線不但中心增強(qiáng)區(qū)域較化纖天鵝絨寬，在其邊緣附近也有較強(qiáng)的亮度分布；(2)通過(guò)分析切倫科夫輻射光斑的分布和強(qiáng)弱的時(shí)間分辨圖像，可以得到陰極在電脈沖過(guò)程中的運(yùn)行狀態(tài)，具有10ns~100ns時(shí)間分辨特性。

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Optical diagnosis system based on Cerenkov radiation for the uniformity of intense electron beam diode

CAIDan1,LIULie1,JUJinchuan1,WANGXiao2

(1.College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China；

2. The PLA Unit 78010, Chengdu 610000, China)

Abstract：Electrons traversing a transparent medium emit Cerenkov light when the electron velocity exceeds the velocity of light in the medium. A time-and-space resolved optical diagnosis system based on Cerenkov radiation for the uniformity of intense electron beam diode has been founded. Before the operation of a series experiments, Particle-in-cell and Monte Carlo simulation codes were utilized to design the experiment structure. The emission uniformity of two kinds of velvet sample was studied. It was found that the carbon velvet cathode has much bigger central enhancement zone and the Cerenkov radiation light of the area near the edge is also brighter. The operating state of diode can be obtained by analyzing the time evolutions of Cerenkov radiation light which achieves 10ns~100ns temporal resolution.

Key words：high-current electron beam；time-resolved uniformity diagnostics；high speed framing camera

中圖分類號(hào)：TL65；TN248

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-2486(2015)02-014-05

收稿日期：2015-01-07基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11305263，61401484)

作者簡(jiǎn)介：蔡丹(1986—)，男，陜西西鄉(xiāng)縣人，博士研究生，E-mail：263277440@163.com；劉列(通信作者)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail：reseek206@163.com

doi:10.11887/j.cn.201502004

http://journal.nudt.edu.cn