本發(fā)明屬于電子束注入技術(shù)，特別涉及一種強(qiáng)磁場(chǎng)下電子槍式電子束注入約束的裝置及方法。

背景技術(shù)：

在高能物理和磁約束核聚變研究中，很多情形下都需要使電子束橫越磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，而在很強(qiáng)的磁場(chǎng)(特斯拉量級(jí)以上的磁場(chǎng))中，由于電子束在沿磁場(chǎng)的方向沒(méi)有約束力，大部分會(huì)沿著磁力線(xiàn)漂走，很難橫越磁力線(xiàn)注入。

解決這一問(wèn)題傳統(tǒng)的方法有以下幾種，美國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)Patent Number：5，225，146；Date of Patent：Jul.6，1993提出一種通過(guò)磁場(chǎng)梯度漂移的原理向托卡馬克等離子體中注入電子束的方法，但是該方法在電子注入口兩側(cè)外加磁體，該外加磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加在原磁場(chǎng)，勢(shì)必破壞了原來(lái)磁場(chǎng)的位形，大大降低了這種方法的實(shí)際效果。

專(zhuān)利文獻(xiàn)CN 1112710C提出了一種通過(guò)電場(chǎng)漂移橫越磁場(chǎng)的方法來(lái)注入帶電粒子。這種方法雖然沒(méi)有破壞原來(lái)磁場(chǎng)的位形，但是有新的問(wèn)題。熱陰極由于沒(méi)有磁屏蔽，產(chǎn)生的電子回轟現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致只有極少數(shù)的電子能發(fā)射出來(lái)。而且由于極板設(shè)計(jì)不夠合理，導(dǎo)致在沿磁場(chǎng)方向上沒(méi)有電場(chǎng)約束，發(fā)射出來(lái)的電子大部分沿著磁力線(xiàn)漂走，只有少部分的電子能夠有效注入。綜上，這種方法在很強(qiáng)磁場(chǎng)下電子注入的效率不高。

專(zhuān)利文獻(xiàn)CN 102708931A提出了一種強(qiáng)磁場(chǎng)下電子束注入約束方法及其裝置，該方法通過(guò)改變負(fù)極板結(jié)構(gòu)，構(gòu)造了電勢(shì)阱從而約束電子束運(yùn)動(dòng)。但是該方法在負(fù)極板打孔，插入熱陰極加熱產(chǎn)生電子，破壞了極板電場(chǎng)位形。同樣因?yàn)闆](méi)有做磁屏蔽，陰極的電子回轟現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致只有極少數(shù)的電子能發(fā)射出來(lái)。最終導(dǎo)致實(shí)際注入效果也不理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種強(qiáng)磁場(chǎng)下電子槍式電子束注入約束的裝置及方法，其目的在于通過(guò)改進(jìn)電場(chǎng)位形，采用帶磁屏蔽的電子槍發(fā)射大量高速運(yùn)動(dòng)的電子束，實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下盡可能不影響原磁場(chǎng)，同時(shí)產(chǎn)生大量的電子束后高效的注入；旨在解決強(qiáng)磁場(chǎng)下電子束發(fā)射數(shù)量極少以及注入效率較低的問(wèn)題。

本發(fā)明提供了一種強(qiáng)磁場(chǎng)下電子槍式電子束注入約束的裝置，包括：負(fù)極板、正極板和電子槍?zhuān)凰鲐?fù)極板與所述正極板相對(duì)并與磁場(chǎng)方向平行放置，用于產(chǎn)生漂移電場(chǎng)并約束平行方向的電子束；所述電子槍位于所述正極板和所述負(fù)極板的邊緣且平行于所述正極板和所述負(fù)極板，用于產(chǎn)生大量電子束。

更進(jìn)一步地，所述裝置還包括設(shè)置在電子槍外部的磁屏蔽套筒，用于屏蔽外部強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)電子槍的影響。

更進(jìn)一步地，所述負(fù)極板與所述正極板均為分段式結(jié)構(gòu)，每段極板緊挨著且相互不導(dǎo)通。

更進(jìn)一步地，當(dāng)給每段極板施加不同的電壓時(shí)，極板之間產(chǎn)生分段的不同的漂移電場(chǎng)，將電子束一段一段的注入。

更進(jìn)一步地，所述裝置還包括電子束收集板，位于所述正極板和所述負(fù)極板的末端，用于收集電子束，并根據(jù)收集電子束大小反饋調(diào)整電子槍發(fā)射面角度和發(fā)射功率。

更進(jìn)一步地，電子槍發(fā)射面角度為2π。

本發(fā)明采用電子槍?zhuān)馨l(fā)射出大量高速運(yùn)動(dòng)的電子束；電場(chǎng)由通電極板產(chǎn)生，電場(chǎng)方向與磁場(chǎng)方向垂直；電子槍位于極板邊緣且與極板平行，電子槍能發(fā)射出大量高速運(yùn)動(dòng)的電子束。這些電子束經(jīng)過(guò)分段的電場(chǎng)區(qū)域時(shí)產(chǎn)生電漂移運(yùn)動(dòng)。若在極板出口收集電子束，則可根據(jù)收集電子束大小，反饋調(diào)整電子槍發(fā)射面角度與發(fā)射功率。本發(fā)明通過(guò)分段的電場(chǎng)，克服單一極板產(chǎn)生恒定電場(chǎng)的不足，使電子束能以類(lèi)似接力的方式運(yùn)動(dòng)。通過(guò)構(gòu)造合理的電場(chǎng)位形，能使電子束沿著合理的軌跡不打到極板，大大提高注入效率。

本發(fā)明還提供了一種基于上述的裝置實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)下電子槍式電子束注入約束的方法，包括：通過(guò)給正極板和負(fù)極板施加電壓實(shí)現(xiàn)在磁場(chǎng)中施加與磁場(chǎng)方向垂直的電場(chǎng)，并通過(guò)電子槍發(fā)射大量高速運(yùn)動(dòng)的電子束，電子束經(jīng)過(guò)分段的電場(chǎng)區(qū)域時(shí)產(chǎn)生電漂移運(yùn)動(dòng)；實(shí)現(xiàn)將電子束一段一段的注入。

更進(jìn)一步地，通過(guò)在極板出口收集電子束，并根據(jù)收集電子束大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)整電子槍發(fā)射面角度與發(fā)射功率。

更進(jìn)一步地，電子槍發(fā)射面角度為2π。

本發(fā)明具有下列突出的優(yōu)點(diǎn)和顯著的效果：

(1)通過(guò)設(shè)計(jì)分段的電場(chǎng)，克服單一極板產(chǎn)生恒定電場(chǎng)的不足，使電子束能以類(lèi)似接力的方式運(yùn)動(dòng)。通過(guò)構(gòu)造合理的電場(chǎng)位形，能使電子束沿著合理的軌跡不打到極板，大大提高注入效率。

(2)當(dāng)電子槍產(chǎn)生電子束并注入后，能根據(jù)注入出口處收集到的電子束大小，反饋調(diào)整電子槍發(fā)射面角度與發(fā)射功率。

(3)采用電子槍能發(fā)射出大量高速運(yùn)動(dòng)的電子束，且能在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下較好地注入，同時(shí)不影響原磁場(chǎng)，相較于傳統(tǒng)方法，大大提高了注入效率。制作實(shí)現(xiàn)的工藝簡(jiǎn)單可靠。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明方法的原理圖(Y-Z平面)；

圖2是本發(fā)明裝置的三維圖；

圖3是本發(fā)明應(yīng)用在磁約束核聚變裝置中的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明尤其適用于磁約束核聚變工程領(lǐng)域；本發(fā)明提供的強(qiáng)磁場(chǎng)下電子槍式電子束注入約束的裝置包括：分段的負(fù)極板、正極板和電子槍?zhuān)回?fù)極板與正極板相對(duì)并與磁場(chǎng)方向平行放置，用于產(chǎn)生漂移電場(chǎng)并約束平行方向的電子束；電子槍位于極板邊緣且平行于極板，用于產(chǎn)生大量電子束，電子槍外部有磁屏蔽套筒，用于屏蔽外部強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)電子槍的影響。

作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，極板可以分段，每段極板緊挨著但是相互不導(dǎo)通。給每段極板通不同的電壓，用于產(chǎn)生分段不同的漂移電場(chǎng)。由于電子束漂移速度而通常在磁約束核聚變裝置中，磁場(chǎng)是不均勻的，通常越靠近中心，磁場(chǎng)越強(qiáng)；如果要維持漂移速度不變，越靠近中心，電場(chǎng)也就要越強(qiáng)。同時(shí)分段的極板還能對(duì)電子束運(yùn)動(dòng)軌跡起到一個(gè)修正的作用。通過(guò)這樣合理的構(gòu)造電場(chǎng)，類(lèi)似接力的方法，將電子束一段一段的注入進(jìn)去。

在本發(fā)明實(shí)施例中，若在極板出口處收集電子束，電子槍可根據(jù)收集電子束大小反饋調(diào)整電子槍的發(fā)射功率和發(fā)射面角度，其活動(dòng)的立體角范圍為2π。

本發(fā)明還提供了一種強(qiáng)磁場(chǎng)下電子槍式電子束注入約束的方法，包括：在磁場(chǎng)中依次加電場(chǎng)、電子槍。其中，電場(chǎng)由通電極板產(chǎn)生，電場(chǎng)方向與磁場(chǎng)方向垂直；電子槍位于極板邊緣且與極板平行，電子槍能發(fā)射出大量高速運(yùn)動(dòng)的電子束。這些電子束經(jīng)過(guò)通電極板區(qū)域時(shí)產(chǎn)生電漂移運(yùn)動(dòng)。由電磁場(chǎng)軟件仿真可知，注入電子束大小與電子槍發(fā)射功率和發(fā)射電子束的角度相關(guān)。因此，若在極板出口收集電子束，則可根據(jù)收集電子束大小，反饋調(diào)整電子槍發(fā)射功率與發(fā)射電子束的角度。

在本發(fā)明實(shí)施例中，在原有的強(qiáng)磁場(chǎng)中依次加分段的電場(chǎng)、電子槍?zhuān)妶?chǎng)方向與磁場(chǎng)方向正交。從電子槍發(fā)射出的電子束，經(jīng)過(guò)極板區(qū)域時(shí)，在正交的電、磁場(chǎng)作用下，電子束豎直向下做漂移運(yùn)動(dòng)。通過(guò)導(dǎo)通不同的電壓的分段的極板構(gòu)造分段的電場(chǎng)，以類(lèi)似接力的形式將電子束一段一段注入下去。

圖1和圖2分別顯示了本發(fā)明方法的Y-Z平面原理圖和本發(fā)明裝置的三維立體圖。如圖1中所示，磁場(chǎng)方向垂直紙面向里，負(fù)極板2與正極板3相對(duì)并與磁力線(xiàn)方向平行，當(dāng)分別通電壓以后形成漂移電場(chǎng)，電場(chǎng)方向與磁場(chǎng)方向垂直。電子束從帶磁屏蔽的電子槍1發(fā)射出來(lái)以后，在正交的電、磁場(chǎng)作用下做向下的漂移運(yùn)動(dòng)，漂移速度需要說(shuō)明的是，為了約束電子束在沿磁場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)，負(fù)極板兩端是有一定弧度的彎曲的，圖2只是示意，具體彎曲形狀可根據(jù)如圖2所示。圖2中，磁場(chǎng)的負(fù)方向設(shè)定為x軸正方向，電場(chǎng)的反方向也就是負(fù)極板到正極板的方向設(shè)定為y軸正方向，垂直于x，y軸所在平面向上的方向設(shè)定為z軸正方向。4表示省略未畫(huà)出來(lái)的多個(gè)正、負(fù)極板，可以根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)若干正、負(fù)極板。電子束收集板5位于極板末端，可以收集電子束。需要說(shuō)明的是，該收集板可根據(jù)收集電子束大小反饋調(diào)整電子槍發(fā)射面角度和發(fā)射功率。在調(diào)節(jié)合適以后，可撤去收集板。

如圖3所示，裝置置于聚變裝置真空環(huán)境中，按照本發(fā)明方法在垂直于磁場(chǎng)方向施加分段的電場(chǎng)。負(fù)極板2與正極板3處于相對(duì)位置，每段極板施加不同電壓即可。電子槍位于極板上端，極板下端處于等離子體6的邊緣。

本發(fā)明裝置工作時(shí)，負(fù)極板2施加負(fù)高壓，正極板3施加正高壓。值得一說(shuō)是，每一段極板施加的電壓是不同的，因此形成了分段的漂移電場(chǎng)。電子束從帶磁屏蔽的電子槍1發(fā)射出來(lái)，在由負(fù)極板2、正極板3和磁場(chǎng)B構(gòu)成的正交的電、磁場(chǎng)作用下，在z方向以漂移速度橫越磁場(chǎng)注入等離子體6中。

由于回旋加速器也有環(huán)向較強(qiáng)的磁場(chǎng)，磁控濺射也是利用了漂移，因此本發(fā)明裝置也可以用于回旋加速器及磁控濺射技術(shù)中。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。