[科普中国]-强流电子光学

强流电子光学以研究电子注的形成、聚焦和收集问题为主的电子光学分支。

现代军事设施、微波工程和微波仪器中，大量使用速调管、行波管和返波管等超高频电真空器件。这类器件工作的主要特点是：利用一个电流很大的、有一定功率的电子注(俗称强流电子注)与器件中的高频场相互作用，从而将电子注的直流能量转换成高频场的能量，使高频场得以放大。1

概念强流电子光学是随着微波电子管的出现而发展起来的。在电子光学中，电子束的强度用导流系数来表征。导流系数的定义为P=I/V。式中I为束电流强度(安);V为加速电压(伏);导流系数的单位是朴(安/伏)。通常把导流系数小于 10-9P的电子束称为弱流电子束，导流系数大于10-8P的电子束称为强流电子束。强流电子束常称为电子注。强流电子光学的特点是考虑电子注中的空间电荷效应和电子注本身的内部结构。
强流电子光学在微波电子管、高能加速器、电子束加工和电子束冶炼等方面已获得广泛应用，而在线形微波电子管方面应用尤多。这种电子器件的电子注可分为四个区段，即电子枪区、过渡区、工作区和收集极区。由电子枪射出的电子注经过过渡区后就形成所需的形状。最常用的电子注有带状电子注、轴对称电子注和管状电子注。

在强流电子注内部电荷密度很大，因而会产生较显著的空间电荷效应。空间电荷效应主要表现在三个方面：①电子之间的相互斥力很大，迫使电子注发生横向扩张；②它使电子注内部的电位降低，电位分布发生显著变化；③电子注内部的电位可能降到低于阴极电位，这将限制电子注在管道内的通过能力。由于空间电荷效应，电子注内的电子很难在较长距离上保持近乎平行的直线轨迹。
在强流电子光学中，一般不把电子注横截面会聚成点状，通常也不涉及成像问题。强流电子光学中的聚焦问题，实际上是指形成一定形状的电子注和保持电子注外形的问题。

相关假设(1)电子轨迹满足傍轴条件。因此研究电子轨迹可以直接利用傍轴轨迹方程。

(2)等动能性，即电子从阴极出发时的热初速分布可忽略不计，且认为阴极发射表面是个等位面，电位为零。这样电子在空间一点的能量就由其所在的空间电位决定。当考虑热初速效应时，这个假定自动取消。

(3)纵向均匀性，即认为电子注近似是无穷长的，而且电子注外轮廓的变化相对于长度是个很小的小量。因此注内沿轴向(一般为z方向)即纵向的电场为零。这样就可以使被研究的注内电位问题，简化成一维的问题。

(4)层流性，认为电子注内电子运动是分层的。对于轴对称系统而言，就像无数个同心的流管，一层套一层一样，电子轨迹永远不交叉。由此可进一步断定：电子注边缘是界限明确的，且边缘轨迹运动状态可以代表整个注的运动状态，使研究电子注的问题简化为研究边缘轨迹的运动状态的问题。1

强流电子束能量堆积能量沉积是快点火方案中形成点火热斑的最后一个步骤。高能粒子束经过百微米量级距离的输运过程，最后入射到高密度芯区(粒子数密度将高达十万倍临界密度)的边缘，通过碰撞等物理过程将能量沉积到背景氘氚等离子体中，使其达到点火温度，形成点火热斑。因此，能量沉积过程将直接决定热斑形成的大小和温度，高能粒子束能量转换为点火热斑内能的能量沉积率也将直接影响点火激光能量耦合到热斑的最终效率。目前已发表的参数研究和模拟研究表明，高能粒子柬在高密度芯区进行能量沉积时，碰撞效应起主要作用，其他效应，如自生电磁场效应、回流加热效应等则在此前的粒子输运过程有重要的影响。因此，能量沉积过程由于其中碰撞效应占据主导性，和输运过程有着明显的物理参数和物理建模差异。

目前国际上实现模拟能量沉积的程序主要有以下技术途径：碰撞粒子模拟程序、混合模拟程序、蒙特卡罗模拟程序，Fokker-Planck动理学方法等。考虑到快点火集成模拟的需求．开展高能电子蒙特卡罗模拟程序的研制，可以比较容易与输运程序集成。2

本词条内容贡献者为:

李宗秀 - 副教授 - 黑龙江财经学院