CN101952926A - 脉冲电子源、脉冲电子源的供电方法和控制脉冲电子源的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种脉冲电子源(1)，包括：电离室(4)；加速室(2)，所述加速室(2)具有用于吸引并加速一次离子和形成二次电子束的电极(3)，所述脉冲电子源(1)的特征在于：所述脉冲电子源(1)包括电源(11)，该电源(11)适于施加正电压到所述电极(3)以将一次等离子体(17)驱动出所述加速室(2)，以及施加负电压脉冲到所述电极(3)以吸引并加速所述一次离子和形成二次电子束。

Description

脉冲电子源、脉冲电子源的供电方法和控制脉冲电子源的方法
本发明涉及脉冲电子源和使用这种脉冲电子源的设备。脉冲电子源可以应用在电激发式气体激光器中或者应用在磁流体动力发电机中。
公开文件FR 2 204 882描述了一种电子源，该电子源包括封闭装置，所述封闭装置填充有低压气体，且该封闭装置设置有电子逸出窗口；冷阴极，所述冷阴极相对于所述窗口处于高负电压，以用于发射二次电子；用于所述气体的电离室，该电离室限定有通道，用于离子向所述阴极流动以及二次电子向所述窗口流动；以及布置在所述阴极和所述电离室之间的屏或格栅，并且所述屏或格栅的电位与所述窗口的电位接近，以便在所述格栅和所述窗口之间以及在所述电离室中形成基本上等电位的空间，并且在所述格栅和所述阴极之间形成具有高电位梯度的空间。
本申请人已经注意到上述格栅存在一些特别的问题。实际上，一方面，格栅要用于隔离电离室和加速室，以防止在电离期间一次离子从电离室寄生泄漏到加速室中。另一方面，格栅要尽可能是可穿透的，以允许在加速期间形成在加速室中的电子束以最小的损失穿过。这种隔离只能起到部分作用，这时，电离室中形成的一些离子进入加速室因而影响加速室的操作。
公开文件FR 2 591 035提出使用一种特殊形状的格栅，以在上述两室之间提供更加有效的隔离。然而，一次等离子体进入加速室并且包围阴极。这造成对阴极供电的脉冲式高电压源的操作的破坏，电子束的电流脉冲变长和对比度变差。
第二辅助格栅的使用导致第二辅助格栅处于负电位以驱动自由电子进入电离室或者第二辅助格栅处于正电位以驱动正离子远离上述两室之间的隔离边界，从而要求使用另外的电源，因而使整个脉冲电子源复杂化。在加速室中形成的电子束被强迫穿过格栅，这一方面导致电子束衰减，另一方面对格栅造成损伤。格栅的损伤对电子束电流造成限制，并且实质上导致格栅的工作寿命减少，从而电子源的工作寿命减少。
本发明尤其旨在克服上述的现有技术中的不足。
具体来说，本发明的目的在于提供一种电子源，该电子源具有长的工作寿命、具有低功耗的高电压电源、在阴极和该电子源的出口之间具有高的电子产量、以及具有高对比度的电子束电流。
所述脉冲电子源包括：电离室；加速室，所述加速室设置有用于吸引并加速一次离子和形成二次电子束的电极；电源，该电源配置为施加正电压到所述电极以将一次等离子体驱动出所述加速室，并且该电源配置为施加负电压脉冲到所述电极以吸引并加速所述一次离子和形成二次电子束。施加到所述电极的所述正电压能使所述正离子离开所述加速室。
在一个实施例中，所述电极具有大体凸面柱体的形状。所述电极可以设置有平整或凹状的中心部分，该中心部分与使所述电离室和加速室连通的槽缝相对。这有助于集中的电子束向所述槽缝发射。
在一个实施例中，所述电离室和所述加速室通过敞开的槽缝连通。可以不设置格栅。简化了电子源的结构。电子束的衰减减少。电子源的工作寿命不再受到格栅的工作寿命限制。
在一个实施例中，所述电离室和加速室通过设置在所述电极的中心部分和电离室的出口之间的槽缝来连通。所述槽缝布置在所述电极和所述电离室的出口之间的电子束路径上。
所述电离室的出口可以是敞开的。可替换地，所述电离室的出口可以设置有至少一个格栅。所述电离室的出口可以通过片件来封闭，该片件包括用于使电子转换为X射线的金属层。该金属层可以包括原子量大于50的至少一种金属。
在一个实施例中，所述电源包括脉冲变压器，所述脉冲变压器设置有初级绕组，所述初级绕组通过电容器连接到直流电压源。可以在地和背向所述初级绕组的电容器的端子之间布置开关。所述脉冲变压器设置有连接到所述电极的次级绕组。辅助电压源布置为施加所述正电压到所述电极。所述辅助电压源可以布置在地和所述电极之间。所述辅助电压源可以与所述变压器的次级绕组并联。电容器可以与所述辅助电压源并联。因此，电源可以确保产生用于所述电极的正偏置电压以及施加到所述电极的负电压脉冲。所述电源具有简单且经济的结构。
在一个实施例中，所述电源包括与所述辅助电压源串联的保护设备。
所述保护设备可以包括至少一个二极管、电容和/或电感器。
所述辅助电压源可以具有100至500伏的电压，优选地具有200至400伏的电压。
换言之，一种脉冲电子源包括：电离室；加速室，所述加速室设置有用于吸引并加速一次离子和形成二次电子束的电极；在所述电离室和所述加速室之间的开口；用于电密封所述开口的装置；和用于施加高的负电压到所述电极以形成电子束的脉冲电源。
在一个实施例中，所述电离室包括电极，用于在该电极和形成空心阴极的所述电离室的内壁之间获得放电。所述电离室的电极可以采用一个或多个丝极的形式。该电极可以由能够提供正电压的电源供电，提供的该正电压是脉冲的或直流的，数量级为几千伏特，例如1至10kV。脉冲电源可以提供持续时间为1至10微秒、峰值电流为100至1000A和/或电压为5至10kV的脉冲。
在操作时，可以通过使形成空心阴极的电离室的内壁保持接地，通过使电离室的电极处于1至10kV的正电压，并且通过使加速室的电极处于100至500V的正电位，来在所述电离室内产生电离。以此方式，防止来自于电离室的等离子体中的正离子经所述两室之间的开口进入加速室。关于所述电子源的具体操作方式，可以根据气体的性质尤其是气体的原子量、气体的压强，并且根据电离室的电极的电压和电流、以及上述两室之间的槽缝的开口度和深度等，计算施加到加速室的电极的电压。一旦已经在电离室中产生一次放电，施加数量级为-50至-200kV的负脉冲电压到加速室的电极。随后，电离室中存在的一次正离子被加速，穿过所述槽缝流向加速室的电极。所述加速室的电极受到正离子轰击。这种轰击产生二次电子，所述二次电子在所述负电位的作用下被加速，穿过所述槽缝流向所述电子源的出口。
一种用于脉冲电子源的电源设备，所述电源设备包括：用于施加正电压到所述脉冲电子源的加速室的电极并且随后施加负电压脉冲到该电极以吸引并加速一次离子和形成二次电子束的装置。所述正电压能使得在所述负电压脉冲之前加速室中的正离子数量减少。所述设备可以包括连接到加速室的电极的辅助电源。所述设备可以包括升压脉冲变压器。所述变压器的次级绕组可以连接到加速室的电极，以施加所述负电压脉冲。
一种控制脉冲电子源的方法，所述脉冲电子源包括电离室和用于吸引并加速一次离子和形成二次电子束的加速室，所述方法包括以下步骤：向所述电极施加由电源提供的正电压，以将一次等离子体驱动出所述加速室；以及向所述电极施加由该电源提供的负电压脉冲，以吸引并加速一次离子和形成二次电子束。
在向加速室的电极施加高的负电压的时候，所述电极周围的区域基本上没有正离子等离子体。换言之，等离子体基本上都限制在电离室内。加速室基本上没有等离子体。这导致的结果是，相比于加速室中存在等离子体时的寄生电容，加速室中基本上没有等离子体时的电极和等离子体之间的寄生电容非常微弱。通过电源对所述电极施加相当低的充电电压，获得期望的加速电压。可以减少提供给加速电极的高电压源的电能，这是一种特别经济的措施。电子束受到的衰减较少。电子束的电流脉冲具有良好的对比度。
通过对多个实施例的详细描述将能更好地理解本发明，这些实施例作为非限制性实例并且通过附图来图示，其中：
图1是脉冲电子源的示意截面图；以及
图2和3是给加速室的电极供电的电源的电路图。
从图1可见，脉冲电子源1包括加速室2和电离室4，在加速室2中布置有电极3，在电离室4中布置有电极5。槽缝6使加速室2和电离室4连通。加速室2和电离室4由封闭装置7形成，封闭装置7包括用于限定加速室2和电离室4的外壁8和内壁9。换言之，加速室2由内壁9和一些外壁8限定。电离室4由内壁9和多个外壁8限定。加速室2和电离室4共用内壁9。壁8和9由金属例如基于不锈钢或黄铜的金属制成，可选地，壁8和9的内侧覆盖有基于铝和镍的层。电极5可以包括沿电离室4的主方向延伸的一条或多条金属丝。为了提高电场的均匀性，可以在金属丝的两端供电。
在图1的截面平面上，当电子源可以是直角平行六面体状或管状的形式时，加速室2和电离室4可以基本上是矩形的。在后一情形中，内壁9可以是圆形的。所述电子源设置有孔状的出口10，该出口10形成在用于限定电离室4的与内壁9相对的一侧上的外壁8中。出口10、槽缝6和加速室2的电极3是对准的。
更确切地，加速电极3可以采用圆柱形部件的形式，例如一般是管状。
参见图2，电极3通过电缆12连接到电源11，该电缆12经由密封绝缘件13穿过外壁8。电离室4的电极5可以采取一个或更多个丝极的形式，并经由穿过密封绝缘件15的电缆14连接到外部电源(未示出)。密封绝缘件13和15可以包括陶瓷。密封绝缘件13和15提供气密式密封和电通道。
在第一步骤期间，封闭装置7接地。电离室4的电极5处于1至10kV的正电压。该电压可以是脉冲电压或直流电压。电离室4已提前填充有数量级为1至20帕斯卡的低压强的气体，例如惰性气体，尤其是氦气或者氦气和氖气的混合气体。
如果电子源1外部的气体条件与电离室4和加速室2中的气体条件相似的话，则电子源1的出口10可以是敞开的，或者可替换地，电子源1的出口10设置有用于电子束的控制格栅。如果需要，出口10可以设置有密封件16。密封件16可以包含金属片，或者包含具有重金属精细层的薄合成材料。重金属层可以具有数量级为1至10微米的厚度。重金属层可以包括原子量大于50的一种或更多种金属，例如金、钽、钨等。重金属层使得能够将电子束转换为X射线束。
施加到电极5的电压导致在电极5和电离室4的壁之间发生放电。该放电使得在电离室4中产生等离子体17。因为槽缝6造成电场轻微的不连续，等离子体17可能存在分散到加速室2中的趋势。然而，施加到加速电极3的正偏置电压Ubias使得能够重新建立相对规则的电场线，这防止或至少限制等离子体17的扩散。等离子体17包括正离子，例如He+，这些正离子受到最低电位的吸引并且加速电极3的正偏置电压Ubias对这些正离子产生排斥作用。以此方式，在称作为电离阶段的第一阶段期间，来自于等离子体17的正离子进入加速室2的可能性大大降低。
换言之，上述过程受益于槽缝6的电密封作用。因为可以基本上阻断有害元素的流通，所以电密封的槽缝6是非常有好处的，而需要穿过槽缝6的期望元素受到的约束相比于格栅存在时显著减小。
随后可以进行称作为加速步骤的第二步骤。高的负电压-Ugun施加到加速电极3。随后，等离子体17中的正离子被加速电极3吸引，因此产生对加速电极3的离子轰击。在电极3的与槽缝6相对的平整区域3a的主要部分上发生离子轰击。对加速电极3的离子轰击，尤其是对平整区域3a的离子轰击导致发射出电子。由于高的负电压-Ugun，这些电子受到加速电极3的排斥作用，并且经电子源1的槽缝6和出口10选出。平整区域3a、槽缝6和出口10均是对准的，被加速电极3加速的电子能够穿过槽缝6，经受非常轻微的损失，并穿过出口10，如果出口10有密封件的话，则因密封件的存在电子会经受损失。
在向加速电极3施加高的负电压-Ugun期间，加速室2基本上没有等离子体。则加速电极3和封闭装置7之间的寄生电容很低。这导致的结果是，需要较少的能量来使电极3获得电压-Ugun。电源11的尺寸可以减小，这是非常经济的。由于敞开的槽缝6，电子束的衰减减少。另外，槽缝6可以具有导圆边。如图2所示，电源11包括设置有初级绕组19和次级绕组20的脉冲变压器18。脉冲变压器18的初级绕组19一端接地，另一端连接到电容器21。在背向初级绕组19的一侧，电容器21连接到电压源Uo和开关22。开关22也接地，以便能够使电容器21和初级绕组19短路。次级绕组20一端连接到所述电源的接地端，另一端连接到电子源1的加速电极3。
电源11还可以包括与次级绕组20并联的提供偏置电压Ubias的辅助电压源23，并且所述辅助电压源23一端连接到所述电源的接地端，另一端连接到次级绕组20和电极3之间的公共点。优选地，为了对电流进行限流，可以布置与该辅助电压源23串联的保护设备24。保护设备24可以包括至少一个二极管、电容器和/或电感器。另外，可以在电源11的输出端设置电流传感器25，用于测量加速室2中消耗的电流。
在第一阶段期间，开关22形成开路。电容器21被充电到电压Uo。
辅助电压源23可以使加速电极3保持在正偏置电压Ubias。为了限制次级绕组20中的损耗，可以在保护设备24和加速电极3的公共点与次级绕组20之间布置二极管，该二极管未示出。在开关22闭合后，电容器21和变压器18的初级绕组19短路，变压器18的次级绕组20供应高的负电压脉冲-Ugun，并将该高的负电压-Ugun施加到加速电极3。
在图2中，以电子源1的等价电学模型即寄生电容Cgun表示电子源1。在第一电离步骤期间，考虑到加速室2中没有等离子体，或者如果做不到这样的话加速室2中有非常少量的等离子体，寄生电容Cgun可以大大降低。当加速室2中出现等离子体时，等离子体的极化产生很强的寄生电容。由于在第一步骤期间施加了能防止来自等离子体17的正离子进入加速室2的正偏置电压Ubias，因此，在高的负电压-Ugun施加到加速电极3的时候，加速室2基本上没有等离子体。因此，寄生电容Cgun保持低值。电源11的充电电压Uo可以减少。可替换地，可以降低变压器28的变压比。
如图3所示，辅助电压源23与次级绕组20串联，例如连接在地和次级绕组20之间。保护设备24可以包括与辅助电压源23并联的电容器。
本发明提供具有降低能耗的电源的脉冲电子源，因此更加经济。当电子束通过加速室2和电离室4之间时，电子束受到的损失少。设置敞开的槽缝6比设置格栅更加经济。由于电子源的寿命不受两室之间的格栅的工作寿命限制，因此电子源的寿命延长。

Claims (12)

1.一种脉冲电子源(1)，包括：电离室(4)；加速室(2)，所述加速室(2)设置有用于吸引并加速一次离子和形成二次电子束的电极(3)，其特征在于，所述脉冲电子源(1)包括电源(11)，所述电源(11)配置为施加正电压到所述电极(3)以将一次等离子体(17)驱动出所述加速室(2)，并且所述电源(11)配置为施加负电压脉冲到所述电极(3)以吸引并加速一次离子和形成二次电子束。
2.根据权利要求1所述的脉冲电子源，其中，所述电极(3)具有大体凸面柱体的形状并且设置有平整或凹状的中心部分(3a)，所述中心部分(3a)与使电离室(4)和加速室(2)连通的槽缝(6)相对。
3.根据权利要求1或2所述的脉冲电子源，其中，所述电离室(4)和所述加速室(2)通过敞开的槽缝(6)连通。
4.根据前述权利要求任意之一所述的脉冲电子源，其中，所述电离室(4)和所述加速室(2)通过布置在所述电极(3)的中心部分(3a)和所述电离室(4)的出口(10)之间的槽缝(6)连通。
5.根据权利要求4所述的脉冲电子源，其中，所述出口(10)是敞开的。
6.根据权利要求4所述的脉冲电子源，其中，所述出口(10)设置有至少一个格栅。
7.根据权利要求4所述的脉冲电子源，其中，所述出口(10)通过片件(16)封闭，所述片件(16)包括用于使电子转换为X射线的金属层。
8.根据前述权利要求任意之一所述的脉冲电子源，其中，所述电源(11)包括脉冲变压器(18)，该脉冲变压器(18)设置有：初级绕组(19)，所述初级绕组(19)通过电容器(21)连接到直流电压源；开关(22)，所述开关(22)布置在地和所述电容器的背向所述初级绕组的端子之间；连接到所述电极的次级绕组(20)；以及辅助电压源(23)，所述辅助电压源(23)布置在地和所述电极之间，以施加所述正电压到所述电极。
9.根据权利要求8所述的脉冲电子源，其中，所述电源包括与所述辅助电压源(23)串联的保护设备(24)。
10.根据权利要求8或9所述的脉冲电子源，其中，所述辅助电压源(23)与所述变压器的次级绕组串联安装。
11.根据权利要求10所述的脉冲电子源，其中，电容器与所述辅助电压源并联安装。
12.一种控制脉冲电子源(1)的方法，所述脉冲电子源(1)包括电离室(4)和加速室(2)，所述加速室(2)设置有用于吸引并加速一次离子和形成二次电子束的电极(3)，所述方法包括以下步骤：向所述电极(3)施加由电源(11)提供的正电压，以将一次等离子体驱动出所述加速室；以及向所述电极(3)施加由所述电源(11)提供的负电压脉冲，以吸引并加速所述一次离子和形成二次电子束。
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