高压型低能大功率辐照加速器电子枪研制

书书书!第!!卷第期原子能科学技术#$%&!!!’$&!()*)年月+,$-./0123456/.21/271892/:1$%$45;73&()*)高压型低能大功率辐照加速器电子枪研制秦久昌!张卫东!崔志鹏原子高科股份有限公司!北京!*)(!*#摘要!低能大功率辐照加速器广泛用于辐照加工产业$本工作研制出一台二极电子枪作为高压型低能大功率辐照加速器的电子源!并通过出束实验对其加以优化!最后确定了二极电子枪的最佳结构%尺寸及运行参数等$结果表明!从电子枪引出电子束的能量为!(=2#!流强为)!*))-+!束斑为!*!)--!半散角为)&?!*&?!不稳定度好于@)&A$该电子枪工作稳定!寿命长于))):$关键词!电子枪&电子束&热阴极&引出区中图分类号!9B)&!!!文献标志码!+!!!文章编号!*)))CD*()*)#)C)(C)!#$%&’()%*+$,)-%(./(012%(3%,4,-%*)567$)%(8,,$-7)%-*%-9--72:7):%(;-%,11:(EF’G.HC/:714!IJ+’KL2.C8$14!MNFI:.CO214!#$%&’()*+(,#-.#-/
&$&*2!3*&4&0’*)(!*!,(&0/#8=1)-7,)’!9:22%2/,3$14H1P7Q82R2%$O28718P.%%S2HQ28$1,:2M$/=/3$T,CL7%,$17//2%237,$3T$32%2/,3$1.3378.7,.$1O3$/2QQ.14&9:2Q,3H/,H32!Q.U2718$O237,.$1O737-C2,23QP232$O,.-.U28S52%2/,3$1S27-,2Q,&9:232QH%,QQ:$P,:7,.,Q-7.1O23T$3-71/287,77322%2/,3$1S27-C()=2#()C*))-+!S27-QO$,!*C)--!:7%T8.R2342714%2)&?C*&?!.1Q,7S.%.,5@)&A!718,:2%.T2,.-2-$32,:71))):&?@%-21’2%2/,3$14H1&2%2/,3$1S27-&:$,T.%7-21,&2V,37/,.$12%2/,3$82收稿日期!())DC)*C*&修回日期!())DC)WC)作者简介!秦久昌*D!))#!男!辽宁鞍山人!研究员!加速器专业!!辐照加工产业是国民经济新的增长点$辐照加速器是辐照加工产业的核心设备$低能大功率加速器是辐照加速器的发展方向之一!它广泛应用于塑料膜材改性%橡胶硫化%烟气脱硫脱硝%涂层固化等领域$在未来年内!低能和高能大功率辐照加速器在国内辐照加速器市场中供不应求**+$低能大功率较高能大功率的辐照加速器投资少%周期短%见效快%风险小!更容易开拓市场$二极电子枪是低能辐照加速器的关键装置之一!它的研制将为原子高科股份有限公司高压型低能大功率辐照加速器研发和批量生产奠定一定技术基础$A!电子枪和出束实验装置的设计ABA!电子枪设计电子枪种类较多$高压型电子辐照加速器一般采用二极电子枪!它结构简单!需控制和调节的参数少!引出电子流强高!造价低$它由热阴极%栅板%枪体和引出电极等组成$*#阴极材料和形状电子枪的阴极材料应具备工作温度低%发射电子流密度大%抗中毒性强%耐离子轰击%寿命长等特性$在电子枪设计时!考虑过用氧化物%六硼化镧%铼钨%钨等阴极材料$经比较后认为!钨丝阴极便宜!可自行制备!在电子枪出束实验中采用&铼钨丝阴极性能优于钨丝!寿命长!但较贵!在电子枪投入运行后采用*(+$阴极形状直接影响从电子枪引出的电子束斑形状和大小$不同类型和用途的辐照加速器对注入的电子束的束斑形状和大小要求不同!即对阴极形状电子发射面#有不同要求$常见的阴极发射面有长方形平面%圆形平面%球面%椭圆球面等$相对而言!高压型低能辐照加速器对注入的电子束的束斑和发射角要求不是很高$因此!所研制的电子枪的阴极选为圆平面$采用钨丝或铼钨丝!所绕制成的盘香式圆平面阴极如图*所示$图*!盘香式阴极X.4&*!M7,:$82$T2%2/,3$14H1(#引出区结构引出区结构直接影响从电子枪引出的电子束流强和束流光学品质$所研制的电子枪设计成皮尔斯Y.3/2#式和栅板C圆筒式引出区结构$后者已在某些高压型辐照加速器的电子枪中被采用$通过电子枪出束实验逐步优化引出区结构$*#皮尔斯式引出区结构*+在所研制的电子枪中!设计了皮尔斯式引出区!即栅板聚焦电极!与阴极同电位#和阳极引出电极#分别为Z&?和Z?的锥体!其引出区结构如图(所示$(#平栅板C平直筒组成的引出区在某些高压型辐照加速器的电子枪中!采图(!皮尔斯式引出区结构X.4&(!Y.3/22V,37/,.$1Q,3H/,H32用平栅板C平直筒组成的引出区!如图所示$对引出区的电场及电子轨迹进行了模拟计算!其结果如图!所示$从图!可看到!电子束发散角和束径均较小$图!平栅板C平直筒组成的引出区结构X.4&!Y%7,2C/5%.18232V,37/,.$1Q,3H/,H32ABC!电子枪出束实验装置设计为对电子枪进行出束实验研究!优化其设计!特研制了电子枪出束实验装置$一般电子枪出束实验装置由电子枪%聚焦透镜%法拉第筒及真空和水冷等系统组成$在所研制的电子枪出束实验装置中!做了如下简化$(原子能科学技术!!第!!卷图!!电场和电子轨迹X.4&!!0%2/,3$1,37[2/,$3.2Q7182\H.O$,21,.7%%.12Q.12V,37/,.$1324.$1*#电子枪安装在高压型加速器上!从电子枪引出的电子束直接注入加速管中!不需匹配聚焦透镜$因此!在所设计的出束实验装置中!为节省经费!未配聚焦透镜$(#一般采用法拉第筒测量电子束流强$为节省经费和缩短工期!采用真空室底法兰与真空室绝缘!通冷却水#代替法拉第筒测量电子束$所设计的电子枪及出束实验装置的结构如图所示$图!电子枪及出束实验装置结构图X.4&!6=2,/:$T2%2/,3$1S27-,2Q,T7/.%.,57182%2/,3$14H1C!电子枪出束实验CBA!阴极加热功率5电子束流强特性在阴极加热功率C电子束流强特性的测试中!采用钨丝和铼钨丝阴极做多次出束实验!其测试结果如图所示$实验条件为’!)&W--钨丝和铼钨丝分别绕成!*)--盘香式阴极&引出区为平栅板C平直筒结构$图!阴极加热功率C电子束流强特性X.4&!0%2/,3$1S27-.1,21Q.,5RQ:27,.14O$P23$T/7,:$82从多次出束实验可知!钨丝阴极加热功率大于Z)L即可发射电子&大于*(L时!可获得高于W)-+的电子束$钨丝阴极完全可满足所研制的电子枪对阴极发射电子能力的要求$其缺点是高温下自身蒸发快!寿命短&钨丝加热后!一旦暴露大气!钨丝变脆!易折断!仅能一次性使用!但它便宜$因此!出束实验中采用钨丝阴极较为经济$与钨丝阴极相比!在铼钨丝阴极加热功率大于**)L时!铼钨丝阴极发射电子能力大于钨丝阴极&铼钨丝加热后!不象钨丝变得那么脆&暴露大气后!抗中毒能力强!可多次使用!寿命可达*)!:!但铼钨丝阴极较贵$因此!电子枪正式投入运行后!采用铼钨丝阴极较为适宜$CBC!引出电压5电子束引出效率特性在电子枪引出电压C电子束引出效率特性的测试中!曾对不同引出区结构做了多次出束实验和优化$其中!皮尔斯式引出区图(#和平栅板C平直筒引出区图#的引出特性如图Z所示$引出效率系指测量到的电子束流强52除以引出电源负载流强52V$皮尔斯式引出区的电子束引出效率约为*A!较低$电子枪解体后发现!引出电极头上有约!!)--的束斑!说明电子束发散严重$其原因可能是由于皮尔斯式引出区的栅板为Z&?锥体!阴极发射的强电子流可不受限制地Z(第期!!秦久昌等’高压型低能大功率辐照加速器电子枪研制图Z!引出电压C电子束引出效率特性X.4&Z!0%2/,3$1S27-2V,37/,.$12TT./.21/5RQ2V,37/,.$1R$%,742立即发散空间电荷效应#$因此!应对阴极发射的电子流加以限制!即采取圆孔栅板!并将灯丝阴极凹进栅板孔内$平栅板C平直筒引出区的电子束引出效率约为DWA!很高$解体电子枪!在引出电极头上未发现明显电子束斑痕$引出的电子束经)D--的漂移在测束底板上打出约!(--束斑!可满足高压型辐照加速器对注入的电子束要求$CBD!电子束测量和次级电子抑制*#电子束测量前面已述!为简化出束实验装置!未配置法拉第筒!而直接由实验装置的底法兰测量电子束$但在出束测量中发现’*#无论采用何种引出区结构!所测到的电子束仅占引出电源负载电流的Z)A左右!解体电子枪!观察不到大量电子打到引出电极上!即电子束引出效率并不太低&(#逐渐上移电子束测量板位置靠近引出电极#!所测到的电子束流强无大变化!说明电子束在漂移路径上发散损失不严重$经分析认为!如此低的所获电子束效率!是由于电子束轰击测束板产生二次电子所致$在如下所述的两次出束实验中!所发生的现象证实了这一点$*#第*次测量此次实验的目的是为验证由于电子束自由漂移路径长而造成电子束发散损失!致使所获电子束效率低$实验中将*个内径!Z)--%高((W--的圆筒安放在测量底板上!圆筒的上端安装*块!W)--]W--的+钢测量板!相当电子束的测量位置提高了(--$测量结果列于表*$测量板虽提高了(--!但所获电子效率并未提高!仍为Z)A左右!这充分说明电子束打到测量板上产生了二次电子$从表*结果可知!低引出电压较高引出电压时的电子束引出效率高!这是因为低能电子束打出的二次电子少$在引出电压*=#条件下出束*-.1后!系统真空由&]*)^Y7降至*&*]*)^(Y7!测量的电子束突然由!-+增加到Z-+!所获电子束效率由(&*A升至D&WA$稍后!真空由*&*]*)^(Y7恢复到&]*)^Y7$对发生的现象进行分析!初步认为!由于上端测量板无冷却!可能被电子束轰击熔化成洞!电子束直接打到测量底板上!所产生的二次电子又被圆筒收集!故所获电子束的效率有明显提高$为验证所作的分析!在一切实验条件不变的情况下!再次进行测量$(#第(次测量第(次测量结果列于表*$所获电子束效率有明显提高$解体电子枪后发现!圆筒上端的测量板确实被熔化出*个!*W--的孔洞$从此不难看出!第*次测量是由平板测量!打出了二次电子!致使实际测量到的电子束减少!所获电子束效率低$第(次测量!圆筒上端测量板被打穿*个孔洞后!电子束打到底部测量板上溅射出的二次电子又被圆筒收集!所测到的电子束流大!所获电子束效率高$因此!如再采用平板测量电子束时必须对二次电子进行抑制$表A!所获电子束效率测量E7=$A!F71/-’()%*$,)-%(G)-7,):%(**:,:(,?引出电压6(=#所获电子束效率52(52V#(A第*次测量第(次测量(&Z)W*&Z)&(W!&Z&Z*&!W&*)D&WW&D*(&D(&D*(&*D&W(#次级电子抑制*!+在采用平板测量电子束时!为抑制次级电子!设计一简单的次级电子抑制器!其结构如图W所示$W(原子能科学技术!!第!!卷图W!次级电子抑制器X.4&W!62/$187352%2/,3$1S27-QHOO32QQ$3抑制器的屏蔽板和抑制筒分别处于地电位和^))#电位!测量底板上面插入钼片$出束实验中!在抑制筒不加^))#时!抑制筒上所测到的二次电子束确实为引出电源负载电流()A以上&但加^))#%引出电压低电子能量低!溅射出二次电子数量少#时!抑制筒上所测到的二次电子束仅为引出电源负载电流的A左右!所获电子束效率相对较高&但引出电压高于*)=#后!在抑制筒上所测到的为反向电子流正向电流#$这可能是测量板上产生的次级电子打到抑制筒后又产生了二次电子!并射出抑制筒外!致使在抑制筒上测到的为正向电流$对电子束测量的抑制器还需做进一步深入研究和改进$CBH!低能I射线测量在出束实验时!低能(&!()=2##电子