李夢超，王 瑄，劉 巧，袁壽財，榮垂才，陳 維，黃 俊，王興權，盧秀圓

(1.贛南師范大學 a.物理與電子信息學院；b.低溫等離子體技術研究所，江西 贛州 341000；2.中國科學院 物理研究所，北京 100089；3.贛州市人民醫(yī)院，江西 贛州 341000)

1 引言

超快電子衍射技術(UED)是一種利用超短脈沖激光實現(xiàn)時間分辨泵浦探測的技術，其原理為利用分光裝置將超快激光脈沖分為兩束，一束用來激發(fā)電子槍陰極，產(chǎn)生超短探針電子脈沖，另一束誘導反應區(qū)，通過控制兩束激光的光程而使探針電子脈沖提前或者延遲對反應區(qū)探測，繼而實現(xiàn)時間分辨測量.探測精度可至飛秒(10-15s)甚至阿秒(10-18s).以高壓直流光陰極電子槍為核心的超快探測技術在晶格動力學[1]、化學反應進程[2]、表面物理[3]、激光等離子體診斷[4-5]等研究中均獲得較快發(fā)展.國內也已有多個研究團隊發(fā)展了該技術，例如由中國科學院物理研究所、上海交通大學、美國佛羅里達州立大學合作研制的60 keV 超快電子衍射裝置[6]，華東師范大學研制的射頻壓縮超快電子衍射裝置[7]，中國科學院物理研究所研制的100 keV超快電子衍射裝置[8]，在建的懷柔國家綜合極端條件實驗室中的新一代具有脈寬壓縮功能的高亮度超快電子衍射裝置等.高壓直流光陰極電子槍是超快電子衍射技術(UED)的電子源，是該技術的核心之一，研究和優(yōu)化電子槍對于UED的發(fā)展具有重要意義.電場特性分析是高壓直流光陰極電子槍研究中的核心問題之一，也是設計新電子槍必經(jīng)的重要環(huán)節(jié)部分，直接關系到電子槍成功與否和實驗的可靠性.

由電子雪崩理論可知，當氣壓下降至10 pa左右時，氣體擊穿電壓達最?。焕^續(xù)降低時，由于氣體中的分子密度降低，電子在其路徑中與分子碰撞的幾率減小，無法形成有效的雪崩效應，相應的擊穿電壓升高[9-10]，放電機理也發(fā)生變化；在高真空甚至超高真空的情況下，材料的擊穿與氣體擊穿機制明顯不同，不能用氣體擊穿理論解釋.通常超快電子衍射系統(tǒng)的真空度在10-9Torr左右或更高，由于氣體分子密度已經(jīng)非常低，電子在其間運動時，已經(jīng)很難再與氣體分子碰撞，更勿論形成雪崩效應，此時的高壓擊穿主要來源于兩極間的粒子發(fā)射.粒子發(fā)射的來源主要有2個：第一，帶電體表面尖端導致局部電場分布增強，由于熱力學不穩(wěn)定性等原因，導致表面粒子發(fā)射，產(chǎn)生擊穿；第二，帶電體表面的雜質粒子，由于其帶有與電極相同極性的電荷，其脫離后被加速，產(chǎn)生碰撞，若碰撞物體帶電極性相反，由于碰撞產(chǎn)生帶電微粒又會被加速回去碰撞原帶電體表面，產(chǎn)生擊穿并造成表面破壞.

2 電子槍及真空電極仿真說明

為避免由電子槍尖端引起局部電場過大而導致表面粒子發(fā)射，需要對電子槍陰陽極的結構進行改進，以獲得具有較低表面電場的電子槍結構.為了對比，我們對設計較早的電子槍進行電場仿真，該電子槍取自美國佛羅里達州立大學超快電子衍射系統(tǒng)，仿真部分結果如圖1(b)所示，在外加-100 kV電壓下，沿陰極表面拐角處CE與陽極表面拐角處AE存在著電場局部放大的情況，電場最高至22 kV/mm.我們新設計了電子槍，即上述的中國科學院物理研究所研制的100 keV超快電子衍射裝置的直流光陰極電子槍[11].圖1(a)顯示了電子槍及其外腔室、電極等的結構圖，其陰陽極間電場仿真結果如圖1(c)所示，電子槍外加電壓-100 kV，兩極間距8 mm的，電場分布情況得到了非常好改善，陰極表面電場最大值不超過12 kV/mm,陽極表面不超過13.5 kV/mm，有效避免了沿陰極和陽極表面的電場局部放大現(xiàn)象的產(chǎn)生.實驗測試表明，新電子槍在-100 kV電壓下工作穩(wěn)定，詳細內容可參考文獻[8].

圖1 電子槍結構及優(yōu)化設計仿真

本部分內容是利用三維電場仿真軟件對上述電子槍接入真空電極后進行整體電場仿真，外接電壓為-100 kV.由圖1(a)所示，高壓導線與真空電極通過一半徑30 mm金屬球連接.真空電極為陶瓷密封件，內部通過一4 mm直徑金屬線進入真空腔與電子槍相連.真空電極外套一PVC保護罩，PVC罩內徑51 mm，厚度4 mm.真空電極一部分工作于大氣壓下，另一部分工作于真空腔內，兩部分的放電機理不同，對其進行電場特性分析是有必要的.

取真空電極的陶瓷部分相對介電常數(shù)為3.5，即ε=3.5ε0，相對磁導率設為1，即μ=μ0；外側PVC保護罩，相對介電常數(shù)取4(未受損)，相對磁導率設為1；電子槍及腔室視作理想金屬，真空腔室電勢設置為零.高壓導線的導體部分為截面積2.5 mm2銅絲，外直徑10 mm高壓專用改性聚乙烯材料(PVC)絕緣層，高壓導線導體部分連接-100 kV電壓.仿真時取高壓導線與真空電極連接的金屬球的球心為坐標原點，沿著真空電極內部金屬導線并朝向電子槍方向為Z正方向，垂直于該金屬導線為XY方向，如圖3(a1)、圖4(b1)所示.

圖3 垂直于真空電極方向的電場分布

圖4 平行于真空電極方向的電場分布

3 仿真結果

3.1 整體仿真

圖2顯示了整個電子槍在Y=0即XZ平面上的電勢分布圖，由于金屬對電場具有屏蔽效果，可以看到電子槍陰極和真空電極金屬導線的電勢線均勻的分布在腔體的內部，金屬球、電子槍、真空腔壁內電場均為零；在大氣壓一側，電勢沿Z軸對稱分布.

圖2 -100 kV下電子槍電勢分布

圖3(a1)顯示了真空電極、金屬球、PVC保護罩等沿著Y=0的平面剖切并去掉一半后的結構圖，我們分別用紅實線、綠色點段線、藍色段線、黑點線在不同位置進行標記，并分別在圖3(a2)上顯示了沿上述各線的電場分布情況.紅實線沿X軸通過金屬球中心，對應的是金屬球及其外側的電場分布，由于金屬的屏蔽效應，金屬球內部電場為零，電場峰值出現(xiàn)在金屬球表面，如圖3(a2)紅實線所示.由此處峰值可以得到金屬球表面電場約為4 kV/mm.繼續(xù)往外，電場曲線出現(xiàn)一小的凹谷，該處凹谷正好對應PVC保護罩的位置，由于極化特性，PVC內部電場較低，較難擊穿，能夠有效阻擋大氣放電通道的形成.

藍段線與Z軸相交并與真空電極的某個陶瓷傘蓋底面相切.真空電極導線是一金屬線，其內部電場為零，因此電場在真空電極導線表面即圖中Y=2 mm處有極大值，即藍段線的峰值.由于陶瓷具有較大的介電常數(shù)，在陶瓷內部電場衰減較快，在陶瓷與空氣交界面處電場上升至一峰值，這是由于陶瓷的極化電荷所致.繼續(xù)往外，在 PVC保護罩處又出現(xiàn)電場值的凹陷.綠色點段線與Z軸相交并與真空電極法蘭表面相切，該處為金屬與空氣交界面.由于此處陶瓷半徑較小，綠點段線處電場值整體大于藍段線處，且在陶瓷、空氣、金屬的交界面處出現(xiàn)電場迅速增大至一峰值的現(xiàn)象，應該是極化電荷匯聚所致，該處應該注意防護.繼續(xù)往外，電場下降速度明顯加快.黑色點線位于腔體內，與Z軸相交并穿過腔壁，可以看到真空電極導線表面電場有一極大值，接近15 kV/mm，同時由于腔體具有屏蔽特性，電場分布于腔體內，在腔體外側，黑色點線上的電場降為零.

圖4(b1)顯示了真空電極、金屬球、PVC保護罩等沿著Y=0的平面剖切并去掉一半后的結構圖，里面紅實線，綠色點段線，藍色段線，黑點線在不同位置進行了標記，圖4(b2)顯示了沿圖4(b1)各線的電場分布情況，并采用黑色豎段線在圖4(b2)中標明了腔壁的位置.紅實線沿著Z軸方向，并且與真空電極導線表面相切，因此圖4(b2)紅實線顯示的是金屬導線表面的電場分布，由于金屬的屏蔽效應，高壓導線與真空電極連接的金屬球內部電場為零，故紅實線在金屬球處電場為零.越接近真空腔室，電場越強，這主要是因為真空腔電勢為零，真空電極金屬導線離其越近，電場越強.進入真空腔內部后電場達到一極大值17 kV/mm，由于真空腔內部復雜的金屬結構分布，電場并不維持極大值不變，而是會隨腔體結構發(fā)生變化.同時紅實線在高壓導線一側也有一個小峰值出現(xiàn)，該峰值位于高壓導線通過PVC罩的位置.

藍段線沿Z軸方向通過陶瓷傘蓋內部邊緣，綠色點段線沿Z軸方向與金屬球表面相切.由于真空電極的圓柱對稱性，藍段線與綠色點斷在真空腔外側電場都基本維持一穩(wěn)定值，當進入真空腔后，兩線上的電場上升一峰值后又回落，該處峰值位于陶瓷與腔壁的交界處.由于藍段線在Z方向上穿過金屬球，金屬球內部電場為零，故藍段線在Z=0附近出現(xiàn)電場為零的情況.綠色點段線位于金屬球外側，且與金屬球表面相切，故在Z=0附近有一個極大值峰值，該峰值即是綠色點段線與金屬球的切點位置.在濕潤的空氣中，高壓會導致沿面放電產(chǎn)生，而沿面放電將更容易發(fā)生在金屬與陶瓷的交界處，在本設計中，金屬球與零勢能點在空氣中的距離遠大于100 kV下的沿面放電距離(6 cm)[9]，由仿真結果可看出陶瓷表面電場維持一較小值，即使發(fā)生局部電場過強產(chǎn)生電暈放電，也不會發(fā)展為沿陶瓷表面的沿面放電.黑色點線通過PVC罩壁的內部，且沿Z方向一直通入真空腔的金屬內，由于PVC罩的圓柱對稱性，電場基本維持一穩(wěn)定值，當進入真空腔的金屬材料后，電場被屏蔽降為零.在室溫下，聚乙烯的瞬時擊穿電壓高達6×108V/m，聚氯乙烯與聚乙烯的電學性質相近，且其相對介電常數(shù)高于聚乙烯，老化情況下的PVC擊穿電壓預估在.由圖4(b2)可看出本設計的PVC罩中的電場強度遠低于老化情況下的擊穿電壓，不會發(fā)生高壓擊穿情況，雖然金屬球附近的部分電場高于空氣的擊穿場強，由于絕緣罩的存在，將不會發(fā)生與外界相連的空氣擊穿現(xiàn)象.通過仿真表明，若在金屬球上開一4 mm半徑孔，其邊緣的電場為，容易產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，導致電子槍工作電壓波動，為安全起見，金屬球若做了一些開孔加工，可外套一絕緣保護套，其附近的PVC絕緣外罩宜經(jīng)常更換，防止其老化導致的絕緣特性降低，高壓導線也應定期檢查，以保證其工作性能.高壓電極的陶瓷與法蘭的接觸面處有一電場極大值，工作時應盡量避免尖端物體靠近.

3.2 金屬導線外套圓柱

上述結果表明，在進入真空腔體后，沿著真空電極金屬導線表面處有一電場極大值17 kV/mm，該值已經(jīng)遠高于陰極表面最大電場12 kV/mm和陽極表面最大電場13.5 kV/mm，極易在表面發(fā)生電子發(fā)射，產(chǎn)生真空擊穿，該問題一直被電子槍設計者所忽略，且未見相關文獻闡述.為克服上述問題，我們嘗試在真空電極金屬導線外套一表面光滑的長圓柱，圖5(b)中紅色雙箭頭顯示外套圓柱的位置，圖5(c)為外套圓柱形狀，一端接陰極，另一端頂部為球狀.圖5(a)顯示了外套金屬圓柱后電場仿真結果，該圖的坐標范圍從金屬球的球心至電子槍陰極，由于屏蔽作用，金屬球內部及陰極內部電場均為零.紅色實線為原來的不做任何改進的金屬導線表面電場，黑色點線為套上5 mm半徑金屬圓柱后圓柱表面的電場分布，可以看到圓柱套表面電場基本小10 kV/mm，低于陰極和陽極表面最大電壓，在圓柱套的頭部有一峰值出現(xiàn)，主要是圓柱套的球形頭部與金屬導線的交界處的尖端所致，該峰值小于不做處理的真空陰極導線表面電場，且圓柱套的球形頭部已經(jīng)進入陶瓷內側空間，如圖5(b)所示，即使該處發(fā)生電子發(fā)射，也會被陶瓷阻攔避免真空放電.故真空電極金屬導線表面電場分布得到改善.

圖5 外套圓柱及仿真結果

同時我們也仿真了半徑為5 mm陶瓷圓柱的情況，藍色段線為陶瓷外表面電場分布，綠色點段線為套上陶瓷圓柱后真空電極金屬導線表面電場分布.顯然圓柱材質改為陶瓷后，陶瓷圓柱外表面的電場更小，內部真空電極導線的表面電場也得到明顯改善.然而根據(jù)電介質擊穿機理可知，電介質擊穿(如陶瓷)主要發(fā)生在與接觸面的縫隙及介質內部的氣孔處，通常電介質的表面或內部的完全擊穿都需要較長的發(fā)展時間，單存的間隙或氣孔擊穿不會立即形成放電，因此不易被發(fā)現(xiàn)，但是將會影響電子槍工作間電壓幅值，導致電子束能量不穩(wěn)定，因此陶瓷圓柱的材料選取要嚴格，盡量避免縫隙內部氣孔.

4 結論

對直流光陰極電子槍在接入真空電極后的整體進行三維電場仿真，并檢測了相關保護和改進方案.高壓導線與真空電極采用金屬球連接，金屬球表面電場為4 kV/mm，外面套有PVC保護罩，不會發(fā)生與外界相連的空氣擊穿現(xiàn)象，但依然接近電暈放電范圍，導致電子槍工作電壓波動，為安全起見，金屬球可外套一絕緣保護套，PVC保護罩宜經(jīng)常更換，防止其老化導致的絕緣特性降低.真空電極大氣壓這一側的陶瓷表面電場維持一較小值，金屬球與陶瓷的接觸處附近不會發(fā)展出沿陶瓷表面的沿面放電.真空電極金屬導線表面電場在進入真空腔內部后較高，且有極大值17 kV/mm，已經(jīng)高于電子槍陰極與陽極間的最大電場，極可能發(fā)生真空擊穿.采用在真空電極金屬導線上套5 mm半徑表面光滑的金屬長圓柱可有效降低表面電場，長圓柱采用陶瓷材質效果更好，但由于陶瓷內部的間隙或氣孔擊穿的存在，使用陶瓷材質宜慎重，對陶瓷材質的加工要求要嚴格.