100 keV直流光阴极电子枪接入真空电极后的电场仿真*

李梦超，王 瑄，刘 巧，袁寿财，荣垂才，陈 维，黄 俊，王兴权，卢秀圆

(1.赣南师范大学 a.物理与电子信息学院；b.低温等离子体技术研究所，江西 赣州 341000；2.中国科学院 物理研究所，北京 100089；3.赣州市人民医院，江西 赣州 341000)

1 引言

超快电子衍射技术(UED)是一种利用超短脉冲激光实现时间分辨泵浦探测的技术，其原理为利用分光装置将超快激光脉冲分为两束，一束用来激发电子枪阴极，产生超短探针电子脉冲，另一束诱导反应区，通过控制两束激光的光程而使探针电子脉冲提前或者延迟对反应区探测，继而实现时间分辨测量.探测精度可至飞秒(10-15s)甚至阿秒(10-18s).以高压直流光阴极电子枪为核心的超快探测技术在晶格动力学[1]、化学反应进程[2]、表面物理[3]、激光等离子体诊断[4-5]等研究中均获得较快发展.国内也已有多个研究团队发展了该技术，例如由中国科学院物理研究所、上海交通大学、美国佛罗里达州立大学合作研制的60 keV 超快电子衍射装置[6]，华东师范大学研制的射频压缩超快电子衍射装置[7]，中国科学院物理研究所研制的100 keV超快电子衍射装置[8]，在建的怀柔国家综合极端条件实验室中的新一代具有脉宽压缩功能的高亮度超快电子衍射装置等.高压直流光阴极电子枪是超快电子衍射技术(UED)的电子源，是该技术的核心之一，研究和优化电子枪对于UED的发展具有重要意义.电场特性分析是高压直流光阴极电子枪研究中的核心问题之一，也是设计新电子枪必经的重要环节部分，直接关系到电子枪成功与否和实验的可靠性.

由电子雪崩理论可知，当气压下降至10 pa左右时，气体击穿电压达最小；继续降低时，由于气体中的分子密度降低，电子在其路径中与分子碰撞的几率减小，无法形成有效的雪崩效应，相应的击穿电压升高[9-10]，放电机理也发生变化；在高真空甚至超高真空的情况下，材料的击穿与气体击穿机制明显不同，不能用气体击穿理论解释.通常超快电子衍射系统的真空度在10-9Torr左右或更高，由于气体分子密度已经非常低，电子在其间运动时，已经很难再与气体分子碰撞，更勿论形成雪崩效应，此时的高压击穿主要来源于两极间的粒子发射.粒子发射的来源主要有2个：第一，带电体表面尖端导致局部电场分布增强，由于热力学不稳定性等原因，导致表面粒子发射，产生击穿；第二，带电体表面的杂质粒子，由于其带有与电极相同极性的电荷，其脱离后被加速，产生碰撞，若碰撞物体带电极性相反，由于碰撞产生带电微粒又会被加速回去碰撞原带电体表面，产生击穿并造成表面破坏.

2 电子枪及真空电极仿真说明

为避免由电子枪尖端引起局部电场过大而导致表面粒子发射，需要对电子枪阴阳极的结构进行改进，以获得具有较低表面电场的电子枪结构.为了对比，我们对设计较早的电子枪进行电场仿真，该电子枪取自美国佛罗里达州立大学超快电子衍射系统，仿真部分结果如图1(b)所示，在外加-100 kV电压下，沿阴极表面拐角处CE与阳极表面拐角处AE存在着电场局部放大的情况，电场最高至22 kV/mm.我们新设计了电子枪，即上述的中国科学院物理研究所研制的100 keV超快电子衍射装置的直流光阴极电子枪[11].图1(a)显示了电子枪及其外腔室、电极等的结构图，其阴阳极间电场仿真结果如图1(c)所示，电子枪外加电压-100 kV，两极间距8 mm的，电场分布情况得到了非常好改善，阴极表面电场最大值不超过12 kV/mm,阳极表面不超过13.5 kV/mm，有效避免了沿阴极和阳极表面的电场局部放大现象的产生.实验测试表明，新电子枪在-100 kV电压下工作稳定，详细内容可参考文献[8].

图1 电子枪结构及优化设计仿真

本部分内容是利用三维电场仿真软件对上述电子枪接入真空电极后进行整体电场仿真，外接电压为-100 kV.由图1(a)所示，高压导线与真空电极通过一半径30 mm金属球连接.真空电极为陶瓷密封件，内部通过一4 mm直径金属线进入真空腔与电子枪相连.真空电极外套一PVC保护罩，PVC罩内径51 mm，厚度4 mm.真空电极一部分工作于大气压下，另一部分工作于真空腔内，两部分的放电机理不同，对其进行电场特性分析是有必要的.

取真空电极的陶瓷部分相对介电常数为3.5，即ε=3.5ε0，相对磁导率设为1，即μ=μ0；外侧PVC保护罩，相对介电常数取4(未受损)，相对磁导率设为1；电子枪及腔室视作理想金属，真空腔室电势设置为零.高压导线的导体部分为截面积2.5 mm2铜丝，外直径10 mm高压专用改性聚乙烯材料(PVC)绝缘层，高压导线导体部分连接-100 kV电压.仿真时取高压导线与真空电极连接的金属球的球心为坐标原点，沿着真空电极内部金属导线并朝向电子枪方向为Z正方向，垂直于该金属导线为XY方向，如图3(a1)、图4(b1)所示.

图3 垂直于真空电极方向的电场分布

图4 平行于真空电极方向的电场分布

3 仿真结果

3.1 整体仿真

图2显示了整个电子枪在Y=0即XZ平面上的电势分布图，由于金属对电场具有屏蔽效果，可以看到电子枪阴极和真空电极金属导线的电势线均匀的分布在腔体的内部，金属球、电子枪、真空腔壁内电场均为零；在大气压一侧，电势沿Z轴对称分布.

图2 -100 kV下电子枪电势分布

图3(a1)显示了真空电极、金属球、PVC保护罩等沿着Y=0的平面剖切并去掉一半后的结构图，我们分别用红实线、绿色点段线、蓝色段线、黑点线在不同位置进行标记，并分别在图3(a2)上显示了沿上述各线的电场分布情况.红实线沿X轴通过金属球中心，对应的是金属球及其外侧的电场分布，由于金属的屏蔽效应，金属球内部电场为零，电场峰值出现在金属球表面，如图3(a2)红实线所示.由此处峰值可以得到金属球表面电场约为4 kV/mm.继续往外，电场曲线出现一小的凹谷，该处凹谷正好对应PVC保护罩的位置，由于极化特性，PVC内部电场较低，较难击穿，能够有效阻挡大气放电通道的形成.

蓝段线与Z轴相交并与真空电极的某个陶瓷伞盖底面相切.真空电极导线是一金属线，其内部电场为零，因此电场在真空电极导线表面即图中Y=2 mm处有极大值，即蓝段线的峰值.由于陶瓷具有较大的介电常数，在陶瓷内部电场衰减较快，在陶瓷与空气交界面处电场上升至一峰值，这是由于陶瓷的极化电荷所致.继续往外，在 PVC保护罩处又出现电场值的凹陷.绿色点段线与Z轴相交并与真空电极法兰表面相切，该处为金属与空气交界面.由于此处陶瓷半径较小，绿点段线处电场值整体大于蓝段线处，且在陶瓷、空气、金属的交界面处出现电场迅速增大至一峰值的现象，应该是极化电荷汇聚所致，该处应该注意防护.继续往外，电场下降速度明显加快.黑色点线位于腔体内，与Z轴相交并穿过腔壁，可以看到真空电极导线表面电场有一极大值，接近15 kV/mm，同时由于腔体具有屏蔽特性，电场分布于腔体内，在腔体外侧，黑色点线上的电场降为零.

图4(b1)显示了真空电极、金属球、PVC保护罩等沿着Y=0的平面剖切并去掉一半后的结构图，里面红实线，绿色点段线，蓝色段线，黑点线在不同位置进行了标记，图4(b2)显示了沿图4(b1)各线的电场分布情况，并采用黑色竖段线在图4(b2)中标明了腔壁的位置.红实线沿着Z轴方向，并且与真空电极导线表面相切，因此图4(b2)红实线显示的是金属导线表面的电场分布，由于金属的屏蔽效应，高压导线与真空电极连接的金属球内部电场为零，故红实线在金属球处电场为零.越接近真空腔室，电场越强，这主要是因为真空腔电势为零，真空电极金属导线离其越近，电场越强.进入真空腔内部后电场达到一极大值17 kV/mm，由于真空腔内部复杂的金属结构分布，电场并不维持极大值不变，而是会随腔体结构发生变化.同时红实线在高压导线一侧也有一个小峰值出现，该峰值位于高压导线通过PVC罩的位置.

蓝段线沿Z轴方向通过陶瓷伞盖内部边缘，绿色点段线沿Z轴方向与金属球表面相切.由于真空电极的圆柱对称性，蓝段线与绿色点断在真空腔外侧电场都基本维持一稳定值，当进入真空腔后，两线上的电场上升一峰值后又回落，该处峰值位于陶瓷与腔壁的交界处.由于蓝段线在Z方向上穿过金属球，金属球内部电场为零，故蓝段线在Z=0附近出现电场为零的情况.绿色点段线位于金属球外侧，且与金属球表面相切，故在Z=0附近有一个极大值峰值，该峰值即是绿色点段线与金属球的切点位置.在湿润的空气中，高压会导致沿面放电产生，而沿面放电将更容易发生在金属与陶瓷的交界处，在本设计中，金属球与零势能点在空气中的距离远大于100 kV下的沿面放电距离(6 cm)[9]，由仿真结果可看出陶瓷表面电场维持一较小值，即使发生局部电场过强产生电晕放电，也不会发展为沿陶瓷表面的沿面放电.黑色点线通过PVC罩壁的内部，且沿Z方向一直通入真空腔的金属内，由于PVC罩的圆柱对称性，电场基本维持一稳定值，当进入真空腔的金属材料后，电场被屏蔽降为零.在室温下，聚乙烯的瞬时击穿电压高达6×108V/m，聚氯乙烯与聚乙烯的电学性质相近，且其相对介电常数高于聚乙烯，老化情况下的PVC击穿电压预估在.由图4(b2)可看出本设计的PVC罩中的电场强度远低于老化情况下的击穿电压，不会发生高压击穿情况，虽然金属球附近的部分电场高于空气的击穿场强，由于绝缘罩的存在，将不会发生与外界相连的空气击穿现象.通过仿真表明，若在金属球上开一4 mm半径孔，其边缘的电场为，容易产生电晕放电现象，导致电子枪工作电压波动，为安全起见，金属球若做了一些开孔加工，可外套一绝缘保护套，其附近的PVC绝缘外罩宜经常更换，防止其老化导致的绝缘特性降低，高压导线也应定期检查，以保证其工作性能.高压电极的陶瓷与法兰的接触面处有一电场极大值，工作时应尽量避免尖端物体靠近.

3.2 金属导线外套圆柱

上述结果表明，在进入真空腔体后，沿着真空电极金属导线表面处有一电场极大值17 kV/mm，该值已经远高于阴极表面最大电场12 kV/mm和阳极表面最大电场13.5 kV/mm，极易在表面发生电子发射，产生真空击穿，该问题一直被电子枪设计者所忽略，且未见相关文献阐述.为克服上述问题，我们尝试在真空电极金属导线外套一表面光滑的长圆柱，图5(b)中红色双箭头显示外套圆柱的位置，图5(c)为外套圆柱形状，一端接阴极，另一端顶部为球状.图5(a)显示了外套金属圆柱后电场仿真结果，该图的坐标范围从金属球的球心至电子枪阴极，由于屏蔽作用，金属球内部及阴极内部电场均为零.红色实线为原来的不做任何改进的金属导线表面电场，黑色点线为套上5 mm半径金属圆柱后圆柱表面的电场分布，可以看到圆柱套表面电场基本小10 kV/mm，低于阴极和阳极表面最大电压，在圆柱套的头部有一峰值出现，主要是圆柱套的球形头部与金属导线的交界处的尖端所致，该峰值小于不做处理的真空阴极导线表面电场，且圆柱套的球形头部已经进入陶瓷内侧空间，如图5(b)所示，即使该处发生电子发射，也会被陶瓷阻拦避免真空放电.故真空电极金属导线表面电场分布得到改善.

图5 外套圆柱及仿真结果

同时我们也仿真了半径为5 mm陶瓷圆柱的情况，蓝色段线为陶瓷外表面电场分布，绿色点段线为套上陶瓷圆柱后真空电极金属导线表面电场分布.显然圆柱材质改为陶瓷后，陶瓷圆柱外表面的电场更小，内部真空电极导线的表面电场也得到明显改善.然而根据电介质击穿机理可知，电介质击穿(如陶瓷)主要发生在与接触面的缝隙及介质内部的气孔处，通常电介质的表面或内部的完全击穿都需要较长的发展时间，单存的间隙或气孔击穿不会立即形成放电，因此不易被发现，但是将会影响电子枪工作间电压幅值，导致电子束能量不稳定，因此陶瓷圆柱的材料选取要严格，尽量避免缝隙内部气孔.

4 结论

对直流光阴极电子枪在接入真空电极后的整体进行三维电场仿真，并检测了相关保护和改进方案.高压导线与真空电极采用金属球连接，金属球表面电场为4 kV/mm，外面套有PVC保护罩，不会发生与外界相连的空气击穿现象，但依然接近电晕放电范围，导致电子枪工作电压波动，为安全起见，金属球可外套一绝缘保护套，PVC保护罩宜经常更换，防止其老化导致的绝缘特性降低.真空电极大气压这一侧的陶瓷表面电场维持一较小值，金属球与陶瓷的接触处附近不会发展出沿陶瓷表面的沿面放电.真空电极金属导线表面电场在进入真空腔内部后较高，且有极大值17 kV/mm，已经高于电子枪阴极与阳极间的最大电场，极可能发生真空击穿.采用在真空电极金属导线上套5 mm半径表面光滑的金属长圆柱可有效降低表面电场，长圆柱采用陶瓷材质效果更好，但由于陶瓷内部的间隙或气孔击穿的存在，使用陶瓷材质宜慎重，对陶瓷材质的加工要求要严格.