強流電子光學

強流電子光學以研究電子注的形成、聚焦和收集問題為主的電子光學分支。

現代軍事設施、微波工程和微波儀器中，大量使用速調管、行波管和返波管等超高頻電真空器件。這類器件工作的主要特點是：利用一個電流很大的、有一定功率的電子注(俗稱強流電子注)與器件中的高頻場相互作用，從而將電子注的直流能量轉換成高頻場的能量，使高頻場得以放大。

基本介紹

• 中文名：強流電子光學
• 外文名：high-density electron beam optics
• 所屬領域：電子工程
• 研究內容：研究電子注的形成、聚焦和收集
• 別稱：電子注
• 特點：考慮電子注中的空間電荷效應

概念

強流電子光學是隨著微波電子管的出現而發展起來的。在電子光學中，電子束的強度用導流係數來表征。導流係數的定義為P=I/V。式中I為束電流強度(安);V為加速電壓(伏);導流係數的單位是朴(安/伏)。通常把導流係數小於 10^-9P的電子束稱為弱流電子束，導流係數大於10^-8P的電子束稱為強流電子束。強流電子束常稱為電子注。強流電子光學的特點是考慮電子注中的空間電荷效應和電子注本身的內部結構。
強流電子光學在微波電子管、高能加速器、電子束加工和電子束冶煉等方面已獲得廣泛套用，而線上形微波電子管方面套用尤多。這種電子器件的電子注可分為四個區段，即電子槍區、過渡區、工作區和收集極區。由電子槍射出的電子注經過過渡區後就形成所需的形狀。最常用的電子注有帶狀電子注、軸對稱電子注和管狀電子注。

在強流電子注內部電荷密度很大，因而會產生較顯著的空間電荷效應。空間電荷效應主要表現在三個方面：①電子之間的相互斥力很大，迫使電子注發生橫向擴張；②它使電子注內部的電位降低，電位分布發生顯著變化；③電子注內部的電位可能降到低於陰極電位，這將限制電子注在管道內的通過能力。由於空間電荷效應，電子注內的電子很難在較長距離上保持近乎平行的直線軌跡。
在強流電子光學中，一般不把電子注橫截面會聚成點狀，通常也不涉及成像問題。強流電子光學中的聚焦問題，實際上是指形成一定形狀的電子注和保持電子注外形的問題。

相關假設

(1)電子軌跡滿足傍軸條件。因此研究電子軌跡可以直接利用傍軸軌跡方程。

(2)等動能性，即電子從陰極出發時的熱初速分布可忽略不計，且認為陰極發射表面是個等位面，電位為零。這樣電子在空間一點的能量就由其所在的空間電位決定。當考慮熱初速效應時，這個假定自動取消。

(3)縱向均勻性，即認為電子注近似是無窮長的，而且電子注外輪廓的變化相對於長度是個很小的小量。因此注內沿軸向(一般為z方向)即縱向的電場為零。這樣就可以使被研究的注內電位問題，簡化成一維的問題。

(4)層流性，認為電子注內電子運動是分層的。對於軸對稱系統而言，就像無數個同心的流管，一層套一層一樣，電子軌跡永遠不交叉。由此可進一步斷定：電子注邊緣是界限明確的，且邊緣軌跡運動狀態可以代表整個注的運動狀態，使研究電子注的問題簡化為研究邊緣軌跡的運動狀態的問題。

強流電子束能量堆積

能量沉積是快點火方案中形成點火熱斑的最後一個步驟。高能粒子束經過百微米量級距離的輸運過程，最後入射到高密度芯區(粒子數密度將高達十萬倍臨界密度)的邊緣，通過碰撞等物理過程將能量沉積到背景氘氚電漿中，使其達到點火溫度，形成點火熱斑。因此，能量沉積過程將直接決定熱斑形成的大小和溫度，高能粒子束能量轉換為點火熱斑內能的能量沉積率也將直接影響點火雷射能量耦合到熱斑的最終效率。目前已發表的參數研究和模擬研究表明，高能粒子柬在高密度芯區進行能量沉積時，碰撞效應起主要作用，其他效應，如自生電磁場效應、回流加熱效應等則在此前的粒子輸運過程有重要的影響。因此，能量沉積過程由於其中碰撞效應占據主導性，和輸運過程有著明顯的物理參數和物理建模差異。

目前國際上實現模擬能量沉積的程式主要有以下技術途徑：碰撞粒子模擬程式、混合模擬程式、蒙特卡羅模擬程式，Fokker-Planck動理學方法等。考慮到快點火集成模擬的需求．開展高能電子蒙特卡羅模擬程式的研製，可以比較容易與輸運程式集成。