一种抑制高压加速管电子负载效应的新方法

李麒成　李德明　何子锋（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区　上海 20800）2（中国科学院大学　北京 00049）



一种抑制高压加速管电子负载效应的新方法

李麒成1，2李德明1何子锋1
1（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区上海 201800）2（中国科学院大学北京 100049）

电子负载效应在高压加速管中是需要避免的，因为电子负载效应往往会造成加速管中出现大量的电子流，使得高压难以继续升高，而电子负载效应与加速管中的杂散粒子倍增有关。本文介绍了如何利用透镜电场抑制电子负载效应。通过不等梯度电位形成透镜电场，透镜电场对中心轴上加速的粒子不造成影响，而对远离主轴的杂散粒子起到消散的作用，可以有效地阻止这些杂散粒子长距离飞越，减弱杂散粒子的倍增能力。可见透镜电场能够对电子负载效应起到抑制的作用。

加速管，电子负载效应，不等梯度，抑制，透镜电场

1　原理介绍

电子负载效应和加速管中某种粒子的交换过程有关。因此，要抑制电子负载效应就必须破坏这种交换过程的进行。通常采取措施就是要使得杂散粒子不能长距离的飞越，常用的方法：一是采用小孔径加速电极［2］；二是引入抑制场。

小孔径可以限制次级粒子的运动范围，孔径越小，限制作用越大，效果越好。但是，在实际使用小孔径加速电极时，聚焦和真空是两大问题。小孔径对聚焦提出更高的要求，这很显然。因为如果束流偏斜了一些，或者束斑大一些，在大孔径加速管中仍然可以出来，但在小孔径加速管中就会打到电极上。加速管对真空要求很高，孔径越小，抽真空就很困难，造成加速管局部的真空达不到要求。

抑制场常见的斜场型加速管，主要利用其倾斜电场的径向分量。对于加速电极表面产生的次级粒子，由于它们的初始能量很小，所以这些粒子在倾斜电场的径向分量作用下，走不长的一段路程后，就打在加速电极上［3］。斜场型加速管存在一定的不足，主要是倾斜电场对被加速的粒子也有作用，使得被加速的粒子轨迹围绕管轴线来回振荡，引起束流发散［4］。在利用电场的径向分量来限制次级粒子长距离飞越，同时也要避免对被加速粒子的影响，因此提出了一种采用连续的透镜电场加速粒子方法，如图1所示。

在加速管内突然出现的负载电流中，根据Mansfield等［5］的测定，有正粒子、负粒子。负粒子电流和正粒子电流之比约为 12.5：1；在负粒子电流中，电子和负离子之比约为25：1。因此，这一电流的基本成分是电子。所以在图1透镜电场中，我们以消散杂散电子为例。当电子束流在透镜电场中加速时，由于电子束流主要集中在轴线附近，电场的径向分量对被加速的电子束影响很小。一些杂散的电子远离中心轴，而透镜电场远离中心轴位置电场的径向分量比较大［6］，刚好可以把这些杂散电子在低能的时候消散，打在附近电极上消失掉，从而可以抑制杂散电子长距离的飞越加速。

这种利用透镜电场加速的方法巧妙之处就是，既可以做到不影响主束的加速，同时又可以消散掉次级粒子。因为次级粒子主要在加速电极片附近，远离透镜电场的中心轴。该位置电场的径向分量也比较大，越远离中心轴就越靠近电极片，电场的径向分量就越大，次级粒子就可以更快地打到电极片上，更好地消散掉。因而可以限制次级粒子的长距离飞越加速，使得粒子的倍增能力减弱，达到抑制电子负载效应的作用。

单一的透镜电场可以消散单一区域的次级粒子，而整个加速管中都存在有杂散状态的次级粒子，为此我们设置多个透镜电场相连。通过这些连续的透镜电场给主束加速，同时也可以对整个加速管中的杂散粒子起消散作用。

2　设计透镜电场

在加速管中，一般采用匀强电场［7］加速粒子。匀强电场是通过设置等梯度电位得到，而透镜电场是一种非匀强电场，所以需要通过设置不等梯度电位来得到这样的加速电场。

电位是通过分压电阻［8］来实现，我们要得到不等梯度电位，就需要采用不等值的分压电阻进行分压。根据不同的需要，选择不同的电阻值。由于我们需要的是透镜电场，所以加速管节与节之间的分压电阻值需要逐渐增大，然后再逐渐减小，这样加速管节与节之间的电压也是先增大再减小，等电位面是由电压大的一侧向电压小的一侧弯曲，就可以形成了透镜电场。当然前提是加速管节与节之间的电压不能超出所能承受的最大电压，所以加速管节与节之间的电压不能无限制的增加。

以一段有 7小节的加速管为例，其电位为10000-22500V，分别设置y1、y2、y3、y4、y5这5组不同的电位分布，如表1所示。

表1　电位分布Table 1　Potential distribution.

根据表1中5组不同的数据绘制电位分布曲线，如图2所示。

图2　电位分布曲线Fig.2　Potential distribution curve.

从图2中可以看出，粒子在每条电位分布曲线下加速所获得的能量都是一样的，因为每条曲线的电位值都是从10000V到22500V，电压一样，所以加速获得的能量也一样。图2中电位分布曲线y1，其电位梯度是恒定的，所以电压也是均匀的，形成的电场是匀强电场，粒子在这样电位分布下加速就是在匀强电场中加速。y2、y3、y4、y5这4条电位分布曲线，其电位梯度是变化的，所以是不等梯度电位加速。电位梯度对应的就是电场，电位梯度的变化就是电场的变化。

y2、y3、y4、y5这4组电位分布值设置的目的就是为了形成透镜电场，它们之间的差别就是从y2到y5电位梯度变化的幅度逐渐增大。

3　仿真模拟分析

利用软件对 y1、y2、y3、y4、y5这5组不同电位分布值进行建模仿真，计算电场的径向分量。通过仿真可以得到轴上（r=0mm）和傍轴（r=30mm）电场的径向分量，如图3所示。

加速管长度一样，加速电压一样，被加速粒子在y1、y2、y3、y4、y5这 5组不同的电位分布下，粒子加速所获得的最终能量是一样的。我们主要关注这5组不同电位分布下，其电场的径向分量对加速粒子的影响以及对远离加速管轴的次级粒子的影响。目的是尽量不影响轴上主束粒子的加速，同时要尽可能在短距离内使次级粒子消散，倍增减弱，抑制电子负载效应。

图3　r=0 mm （a）和r=30mm （b）处电场的径向分量ErFig.3　Radial component of electric field Erat r=0 mm （a） and r=30 mm （b）.

从图3（a）可以看到，当电位梯度变化幅度逐渐增大时，加速管轴上（r=0mm）的电场的径向分量Er整体上没有太大的变动。图3（a）中电场的径向分量Er的波动变化是由于计算网格划分造成的结果误差。我们都知道，理论上加速管轴上电场的径向分量Er的大小为零。可见，在电位梯度变化的情况下，轴上电场的径向分量 Er对主束的影响与在等电位梯度下轴上电场的径向分量 Er对主束的影响没有什么差别。

由图3（b）可见，当电位梯度变化幅度逐渐增大时，电场的径向分量Er也逐渐增强，而且电位梯度变化幅度越大，电场Er越大，越有利于对次级粒子的消散作用。

以 y1、y2、y3、y4、y5不同的电位分布为例，电位梯度变化幅度逐渐增大。假如存在杂散电子在电极片附近，通过仿真可以看出在5组不同电位分布下，他们分别的运动轨迹，如图4所示。

图4　电极片附近杂散电子轨迹　（a） y1，（b） y2，（c） y3，（d） y4，（e） y5Fig.4　Stray electron trajectory near the electrode. （a） y1， （b） y2， （c） y3， （d） y4， （e） y5

图4（a）由于是等梯度电位，形成的电场是匀强电场，杂散电子受到电场的径向分量Er的作用力很小，能够飞越很长的一段距离。图4（b）和（c）虽然是不等梯度电位，形成透镜电场，但由于电位梯度变化幅度相对较小，透镜电场的径向分量Er也比相对较小，对杂散电子的作用力不够明显。图4（d）和（e）电位梯度变化幅度大，透镜电场的径向分量Er大，能够使杂散电子在较短的距离内就打在电极片上，把杂散电子消散掉。这种在较短距离内就可以消散掉次级粒子的方法，使次级粒子倍增能力减弱，起到抑制电子负载的效果。

4　结语

本文介绍了采用透镜电场抑制电子负载效应的方法。通过不等梯度电位形成透镜电场，利用电场径向分量消散电极片附近的次级粒子，抑制电子负载效应。由于受到加速管所能承受的最大电场限制，该方法可能会增加加速管长度，增加成本。但随着加速管工艺技术的改进，耐压水平提高，成本降低，使用该方法抑制电子负载效应也是可行的。

1叶铭汉， 陈鉴璞， 夏广昌， 等. 静电加速器［M］. 北京：科学出版社， 1965：328

YE Minghan， CHEN Jianpu， XIA Guangchang， et al. Electrostatic accelerator［M］. Beijing：Science Press， 1965：328

2孙振武， 李玉晓， 姜胜南， 等. 离子静电加速器加速管的研制［J］. 郑州大学学报（自然科学版）， 2001， 33（2）：35-38

SUN Zhenwu， LI Yuxiao， JIANG Shengnan， et al. Development of acceleration tube of ion electrostatic accelerator［J］. Journal of Zhengzhou University （Natural Sciences Edition）， 2001， 33（2）：35-38

3桂伟燮， 洪忠悌. 粒子加速器原理［M］. 北京：原子能出版社， 1984：107

GUI Weixie， HONG Zhongti. Particle accelerator principle［M］. Beijing：Atomic Energy Press， 1984：107

4陈佳洱， 方家驯， 裴元吉， 等. 加速器物理基础［M］. 北京：原子能出版社， 1993：106-107

CHEN Jiaer， FANG Jiaxun， PEI Yuanji， et al. Accelerator physics foundation［M］. Beijing：Atomic Energy Press，1993：106-107

5Mansfield W K， Fortescue R L. Pre-breakdown conduction between electrodes in continuously-pumped vacuum systems［J］. British Journal of Applied Physics，1957， 8（2）：73-78

6刘祖平. 束流光学［M］. 合肥：中国科学技术大学出版社， 2005：25-27

LIU Zuping. Beam optics［M］. Hefei：University of Science and Technology of China Press， 2005：25-27

7Feagin J M， Briggs J S. Reaction imaging in uniform electric and magnetic fields［J］. Journal of Physics B Atomic Molecular & Optical Physics， 2014， 47：4495-4501

8肖坤祥， 金大志， 向伟， 等. 带伴随粒子中子发生器研制［J］. 核技术， 2011， 34（1）：27-30

XIAO Kunxiang， JIN Dazhi， XIANG Wei， et al. The design of neutron generator with concomitant particle［J］. Nuclear Techniques， 2011， 34（1）：27-30

A new method of suppressing the electronic load effect for high voltage accelerating tube

LI Qicheng1，2LI Deming1HE Zifeng1
1（Shanghai Institute of Applied Physics， Chinese Academy of Sciences， Jiading Campus， Shanghai 201800， China）
2（University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Background: In the high voltage accelerating tube， the electronic load effect tends to cause a large amount of electrons flow in the tube， making it difficult to continuously increase the voltage， and thus needs to be avoided. Electronic load effect is related to the multiplication of the stray particles in the accelerating tube. Purpose: This study aims to propose a method to suppress the electronic load effect. Methods: The lens electric field is adopted to eliminate the spray particles. The formation of the lens electric field is built through the unequal gradient potential. Results: The lens electric field has no effect on the main beam on the central axis， but the stray particles that are far away from the central axis are dissipated. It effectively prevents the long distance movement of these stray particles， and weakens the doubling capacity of the stray particles. Conclusion: The lens electric field has an inhibitory effect on the electric load effect for the high voltage accelerating tube.

Accelerating tube， Electronic load effect， Unequal gradient， Suppression， Lens field

高压加速器在升高电压过程中，有时出现电压升到一定值就很难上升，这通常是由于电子负载效应造成的。电子负载效应是一种与加速管内次级粒子再生倍增有关的放电现象。当加速管电压达到某个阈值时，加速管内突然出现大量的电子流，同时有强烈的X射线出现。在这之后，由于电子流随电压急剧增加，很快就超过了加速器可能有的最大输电电流，因此成为加速器电压的实际限制［1］。

LI Qicheng， male， born in 1988， graduated from South-Central University for Nationalities in 2010， doctor student， focusing on accelerator technology and application

TL99

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.070204

上海市自然科学基金（No.12ZR1436500）资助

李麒成，男，1988年出生，2010年毕业于中南民族大学，现为博士研究生，研究方向为加速器技术及应用

李德明，E-mail：lideming@sinap.ac.cn

Supported by the Science and Technology Commission of Shanghai Municipality （No.12ZR1436500）

LI Deming， E-mail：lideming@sinap.ac.cn

2016-01-13，

2016-03-11