根據(jù)已有文獻(xiàn)研究結(jié)果, 建立了Boersch 效應(yīng)電子脈沖展寬物理分析模型, 確立了以時(shí)間彌散特征參量為核心參數(shù)的電子脈沖展寬表征理論, 以此為基礎(chǔ)分析了超短電子脈沖展寬對(duì)外場(chǎng)的依賴(lài)性。結(jié)果表明: 相比勻速漂移場(chǎng), 加速場(chǎng)具有較好的抑制電子脈沖展寬作用, 而減速場(chǎng)則增大了電子脈沖展寬; 對(duì)條紋相機(jī)和超快電子衍射儀等電子槍系統(tǒng)而言, 除了已知的兩個(gè)區(qū)域􀀁 光陰極附近和偏轉(zhuǎn)板后等電位漂移空間之外, 光電子脈沖從高電位向低電位傳輸時(shí)其時(shí)間彌散也是非常顯著的。此結(jié)論對(duì)高性能電子槍工程設(shè)計(jì)具有重要的理論指導(dǎo)價(jià)值。

　　時(shí)間分辨超快現(xiàn)象研究正在應(yīng)用基礎(chǔ)及高新技術(shù)研究等諸多領(lǐng)域展開(kāi), 以超短電子脈沖快速控制為基礎(chǔ)的超快診斷工具, 如掃描變像管和超快電子衍射儀在時(shí)間分辨超快現(xiàn)象研究中發(fā)揮著難以替代的作用。為了提高其時(shí)間分辨率, 產(chǎn)生脈寬在100 fs 左右且每個(gè)脈沖包含103~104 個(gè)電子、電子能量10~50 keV 而脈沖能量彌散僅為幾個(gè)伏特的超短電子脈沖技術(shù)早已被提上日程。然而, 此類(lèi)技術(shù)目前仍處于研究階段而未能進(jìn)入工程應(yīng)用中, 其瓶頸主要是光電子初能量彌散和高濃度電子脈沖中顯著的Boersch 效應(yīng), 這兩個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電子脈沖展寬。正因此, 至今相關(guān)學(xué)者已在電子脈沖展寬及壓縮方面做了大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究, 且得到了不同精度的分析結(jié)果。但遺憾的是, 已有分析除了引入復(fù)雜的理論推導(dǎo)之外, 其結(jié)果并沒(méi)有給出超短電子脈沖展寬對(duì)外場(chǎng)依賴(lài)性的總括性結(jié)論,而此結(jié)論往往是高性能電子槍工程設(shè)計(jì)的宏觀指導(dǎo)依據(jù)。

　　本文依據(jù)已有研究結(jié)果, 建立了Boersch 效應(yīng)電子脈沖展寬的物理分析模型, 確立了以時(shí)間彌散特征參量為核心參數(shù)的電子脈沖展寬表征理論, 以此為基礎(chǔ)分析了電子脈沖展寬對(duì)外場(chǎng)的依賴(lài)性。結(jié)果表明: 相比勻速漂移場(chǎng), 加速場(chǎng)具有較好的抑制電子脈沖展寬作用, 而減速場(chǎng)則增大了電子脈沖展寬。

Boersch 效應(yīng)分析模型

　　基于引言中提及的研究背景, 這里考慮的電子槍其電子源為外光電效應(yīng)光電發(fā)射陰極, 電子脈沖傳輸系統(tǒng)由相關(guān)電極( 亦可包括磁極) 構(gòu)成。此系統(tǒng)中任意電子在任意時(shí)刻都受到四種力的作用: 電極系統(tǒng)產(chǎn)生的外場(chǎng)、脈沖內(nèi)部其他運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力以及光陰極鏡像電荷的作用力。據(jù)作用力對(duì)脈沖展寬的貢獻(xiàn), 這里僅考慮前兩者。

　　Boersch 效應(yīng)是空間電荷效應(yīng)的一種。本文建立的電子脈沖Boersch 效應(yīng)分析模型如圖1 所示, 其中采用的是電子脈沖坐標(biāo)系, z 軸為軸對(duì)稱(chēng)電子脈沖傳輸系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)軸。這里以在時(shí)域上滿(mǎn)足矩形分布的圓柱狀電子脈沖為例。

圖1 電子脈沖Boersch 效應(yīng)分析模型

　　研究結(jié)果表明：Boersch效應(yīng)對(duì)電子脈沖相關(guān)參量的影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面􀀁 橫向束徑尺寸延展和縱向脈沖時(shí)域展寬, 且后者較為顯著; 同時(shí)相比不考慮Boersch 效應(yīng)的情形,電子脈沖前后沿的時(shí)域展寬具有良好的對(duì)稱(chēng)性。因而為討論簡(jiǎn)便起見(jiàn), 這里忽略電子脈沖傳輸過(guò)程中的橫向束徑尺寸延展。設(shè)電子脈沖沿z 軸方向傳輸, 其內(nèi)部電子數(shù)為N 、脈沖束徑為r 0 以及t 時(shí)刻縱向尺寸為l (t) , 則據(jù)電場(chǎng)疊加原理即可求得此時(shí)電子脈沖內(nèi)建場(chǎng)軸上電場(chǎng)分布

　　其中正電場(chǎng)的方向沿z 軸正向, p(t) 為t 時(shí)刻電子脈沖內(nèi)部空間電荷密度, 且有

　　不同時(shí)刻電子脈沖內(nèi)部軸上電場(chǎng)分布如圖2 所示。由圖可知: 在任意時(shí)刻電子脈沖內(nèi)建場(chǎng)關(guān)于脈沖中心對(duì)稱(chēng)且脈沖中心的內(nèi)建場(chǎng)為0。若設(shè)電子脈沖所置其中的軸向外場(chǎng)為E0, 則t 時(shí)刻電子脈沖內(nèi)部軸向電場(chǎng)分布為

　　因此, t 時(shí)刻電子脈沖展寬將由Etotal(z , t) 決定。

圖2 電子脈沖內(nèi)部軸上電場(chǎng)分布

　　針對(duì)高時(shí)間分辨率電子槍系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及拓展瓶頸, 本文在綜合分析已有研究結(jié)果的基礎(chǔ)上建立了Boersch 效應(yīng)電子脈沖展寬的物理分析模型, 通過(guò)引入的以時(shí)間彌散特征參量為核心參數(shù)的電子脈沖展寬表征理論, 分析了電子脈沖展寬對(duì)外場(chǎng)的依賴(lài)性。得出的結(jié)論為: 相比勻速漂移場(chǎng), 加速場(chǎng)具有較好的抑制電子脈沖展寬作用, 而減速場(chǎng)則增強(qiáng)了電子脈沖展寬; 對(duì)條紋相機(jī)和超快電子衍射儀等電子槍系統(tǒng)而言, 除了已知的電子脈沖時(shí)間彌散較為嚴(yán)重的兩個(gè)區(qū)域-光陰極附近和偏轉(zhuǎn)后的等電位漂移空間之外, 其中光電子脈沖從高電位向低電位傳輸?shù)膮^(qū)間內(nèi)部, 光電子脈沖的時(shí)間彌散也是非常顯著的。此結(jié)論對(duì)高性能電子槍工程設(shè)計(jì)具有重要的理論指導(dǎo)價(jià)值。