一种强磁场下电子枪式电子束注入约束的装置和方法

摘要

本发明公开了一种强磁场下电子枪式电子束注入约束的装置和方法；装置包括分段的负极板、正极板和电子枪；负极板与正极板相对并与磁场方向平行放置；电子枪位于极板边缘且平行于极板。本发明采用电子枪，能发射出大量高速运动的电子束；电场由通电极板产生，电场方向与磁场方向垂直；电子枪位于极板边缘且与极板平行，电子枪能发射出大量高速运动的电子束。这些电子束经过分段的电场区域时产生电漂移运动。在极板出口收集电子束，根据收集电子束大小，反馈调整电子枪发射面角度与发射功率。本发明通过分段的电场，克服单一极板产生恒定电场的不足。通过构造合理的电场位形，能使电子束沿着合理的轨迹不打到极板，大大提高注入效率。

说明书

技术领域

本发明属于电子束注入技术，特别涉及一种强磁场下电子枪式电子束注入约束的装置及方法。

背景技术

在高能物理和磁约束核聚变研究中，很多情形下都需要使电子束横越磁力线运动，而在很强的磁场(特斯拉量级以上的磁场)中，由于电子束在沿磁场的方向没有约束力，大部分会沿着磁力线漂走，很难横越磁力线注入。

解决这一问题传统的方法有以下几种，美国专利文献Patent Number：5，225，146；Date of Patent：Jul.6，1993提出一种通过磁场梯度漂移的原理向托卡马克等离子体中注入电子束的方法，但是该方法在电子注入口两侧外加磁体，该外加磁体产生的磁场叠加在原磁场，势必破坏了原来磁场的位形，大大降低了这种方法的实际效果。

专利文献CN 1112710C提出了一种通过电场漂移横越磁场的方法来注入带电粒子。这种方法虽然没有破坏原来磁场的位形，但是有新的问题。热阴极由于没有磁屏蔽，产生的电子回轰现象明显，导致只有极少数的电子能发射出来。而且由于极板设计不够合理，导致在沿磁场方向上没有电场约束，发射出来的电子大部分沿着磁力线漂走，只有少部分的电子能够有效注入。综上，这种方法在很强磁场下电子注入的效率不高。

专利文献CN 102708931A提出了一种强磁场下电子束注入约束方法及其装置，该方法通过改变负极板结构，构造了电势阱从而约束电子束运动。但是该方法在负极板打孔，插入热阴极加热产生电子，破坏了极板电场位形。同样因为没有做磁屏蔽，阴极的电子回轰现象明显，导致只有极少数的电子能发射出来。最终导致实际注入效果也不理想。

发明内容

本发明提供了一种强磁场下电子枪式电子束注入约束的装置及方法，其目的在于通过改进电场位形，采用带磁屏蔽的电子枪发射大量高速运动的电子束，实现在强磁场环境下尽可能不影响原磁场，同时产生大量的电子束后高效的注入；旨在解决强磁场下电子束发射数量极少以及注入效率较低的问题。

本发明提供了一种强磁场下电子枪式电子束注入约束的装置，包括：负极板、正极板和电子枪；所述负极板与所述正极板相对并与磁场方向平行放置，用于产生漂移电场并约束平行方向的电子束；所述电子枪位于所述正极板和所述负极板的边缘且平行于所述正极板和所述负极板，用于产生大量电子束。

更进一步地，所述装置还包括设置在电子枪外部的磁屏蔽套筒，用于屏蔽外部强磁场对电子枪的影响。

更进一步地，所述负极板与所述正极板均为分段式结构，每段极板紧挨着且相互不导通。

更进一步地，当给每段极板施加不同的电压时，极板之间产生分段的不同的漂移电场，将电子束一段一段的注入。

更进一步地，所述装置还包括电子束收集板，位于所述正极板和所述负极板的末端，用于收集电子束，并根据收集电子束大小反馈调整电子枪发射面角度和发射功率。

更进一步地，电子枪发射面角度为2π。

本发明采用电子枪，能发射出大量高速运动的电子束；电场由通电极板产生，电场方向与磁场方向垂直；电子枪位于极板边缘且与极板平行，电子枪能发射出大量高速运动的电子束。这些电子束经过分段的电场区域时产生电漂移运动。若在极板出口收集电子束，则可根据收集电子束大小，反馈调整电子枪发射面角度与发射功率。本发明通过分段的电场，克服单一极板产生恒定电场的不足，使电子束能以类似接力的方式运动。通过构造合理的电场位形，能使电子束沿着合理的轨迹不打到极板，大大提高注入效率。

本发明还提供了一种基于上述的装置实现强磁场下电子枪式电子束注入约束的方法，包括：通过给正极板和负极板施加电压实现在磁场中施加与磁场方向垂直的电场，并通过电子枪发射大量高速运动的电子束，电子束经过分段的电场区域时产生电漂移运动；实现将电子束一段一段的注入。

更进一步地，通过在极板出口收集电子束，并根据收集电子束大小，来实现反馈调整电子枪发射面角度与发射功率。

更进一步地，电子枪发射面角度为2π。

本发明具有下列突出的优点和显著的效果：

(1)通过设计分段的电场，克服单一极板产生恒定电场的不足，使电子束能以类似接力的方式运动。通过构造合理的电场位形，能使电子束沿着合理的轨迹不打到极板，大大提高注入效率。

(2)当电子枪产生电子束并注入后，能根据注入出口处收集到的电子束大小，反馈调整电子枪发射面角度与发射功率。

(3)采用电子枪能发射出大量高速运动的电子束，且能在强磁场环境下较好地注入，同时不影响原磁场，相较于传统方法，大大提高了注入效率。制作实现的工艺简单可靠。

附图说明

图1是本发明方法的原理图(Y-Z平面)；

图2是本发明装置的三维图；

图3是本发明应用在磁约束核聚变装置中的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明尤其适用于磁约束核聚变工程领域；本发明提供的强磁场下电子枪式电子束注入约束的装置包括：分段的负极板、正极板和电子枪；负极板与正极板相对并与磁场方向平行放置，用于产生漂移电场并约束平行方向的电子束；电子枪位于极板边缘且平行于极板，用于产生大量电子束，电子枪外部有磁屏蔽套筒，用于屏蔽外部强磁场对电子枪的影响。

作为本发明的一个实施例，极板可以分段，每段极板紧挨着但是相互不导通。给每段极板通不同的电压，用于产生分段不同的漂移电场。由于电子束漂移速度而通常在磁约束核聚变装置中，磁场是不均匀的，通常越靠近中心，磁场越强；如果要维持漂移速度不变，越靠近中心，电场也就要越强。同时分段的极板还能对电子束运动轨迹起到一个修正的作用。通过这样合理的构造电场，类似接力的方法，将电子束一段一段的注入进去。

在本发明实施例中，若在极板出口处收集电子束，电子枪可根据收集电子束大小反馈调整电子枪的发射功率和发射面角度，其活动的立体角范围为2π。

本发明还提供了一种强磁场下电子枪式电子束注入约束的方法，包括：在磁场中依次加电场、电子枪。其中，电场由通电极板产生，电场方向与磁场方向垂直；电子枪位于极板边缘且与极板平行，电子枪能发射出大量高速运动的电子束。这些电子束经过通电极板区域时产生电漂移运动。由电磁场软件仿真可知，注入电子束大小与电子枪发射功率和发射电子束的角度相关。因此，若在极板出口收集电子束，则可根据收集电子束大小，反馈调整电子枪发射功率与发射电子束的角度。

在本发明实施例中，在原有的强磁场中依次加分段的电场、电子枪，电场方向与磁场方向正交。从电子枪发射出的电子束，经过极板区域时，在正交的电、磁场作用下，电子束竖直向下做漂移运动。通过导通不同的电压的分段的极板构造分段的电场，以类似接力的形式将电子束一段一段注入下去。

图1和图2分别显示了本发明方法的Y-Z平面原理图和本发明装置的三维立体图。如图1中所示，磁场方向垂直纸面向里，负极板2与正极板3相对并与磁力线方向平行，当分别通电压以后形成漂移电场，电场方向与磁场方向垂直。电子束从带磁屏蔽的电子枪1发射出来以后，在正交的电、磁场作用下做向下的漂移运动，漂移速度需要说明的是，为了约束电子束在沿磁场方向的运动，负极板两端是有一定弧度的弯曲的，图2只是示意，具体弯曲形状可根据如图2所示。图2中，磁场的负方向设定为x轴正方向，电场的反方向也就是负极板到正极板的方向设定为y轴正方向，垂直于x，y轴所在平面向上的方向设定为z轴正方向。4表示省略未画出来的多个正、负极板，可以根据实际情况，设计若干正、负极板。电子束收集板5位于极板末端，可以收集电子束。需要说明的是，该收集板可根据收集电子束大小反馈调整电子枪发射面角度和发射功率。在调节合适以后，可撤去收集板。

如图3所示，装置置于聚变装置真空环境中，按照本发明方法在垂直于磁场方向施加分段的电场。负极板2与正极板3处于相对位置，每段极板施加不同电压即可。电子枪位于极板上端，极板下端处于等离子体6的边缘。

本发明装置工作时，负极板2施加负高压，正极板3施加正高压。值得一说是，每一段极板施加的电压是不同的，因此形成了分段的漂移电场。电子束从带磁屏蔽的电子枪1发射出来，在由负极板2、正极板3和磁场B构成的正交的电、磁场作用下，在z方向以漂移速度横越磁场注入等离子体6中。

由于回旋加速器也有环向较强的磁场，磁控溅射也是利用了漂移，因此本发明装置也可以用于回旋加速器及磁控溅射技术中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。