0 引言
电子加速器一般是指利用高频电磁场对电子进行加速，使其获得高能量的装置。在高能领域，电子加速器产生的高能电子束、X 射线和γ射线能够用于开展物理、材料、生物等基础学科的科学研究。在低能领域，低能电子束在医疗、辐照改性和无损检测等领域也有很高的应用价值。电子作为电子加速器的源头，其引出的电子束品质从根本上决定了后端加速结构的束流质量。因此，加速领域对电子束源的要求日益提高。目前，电子束源主要分为直流高压电子和微波电子。其中，热阴极高压电子因其技术成熟、性能稳定、工作寿命长等一系列优点而得到广泛的应用。现有的同步辐射光源多采用热阴极高压电子作为电子束注入源。如国内的国家同步辐射实验室第二代合肥光源(Hefei light source,HLSII)电子直线加速器的电子束注入源、上海同步辐射光源(Shanghai synchrotron radiation facility,SSRF)设备中150 MeV 电子直线加速器使用的电子束注入源。而 在国外：德国德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心(Helmholtz-Zentrum
Dresden-Rossendorf,HZDR)高亮度低发射度电子直线加速器(electron linac for beams,ELBE)中的电子均采用热阴极栅控高压电子；日本同步辐射装置8GeV 储存环(super photon ring-8 GeV，SPring-8)采用热阴极脉冲高压电子作为电子束注入源。总之，根据不同需求设计的不同性能的电子应用于各
个领域和大型装置。随着直流高压电子的成熟发展，学界开始探索其在新领域的应用。
目前，电磁计量中电压和电流已实现量子化，而电流量子化的实现仍然面临着很大的挑战。过去对电流量子化的研究一直是基于20世纪90年代提出的单电子隧道效应。其原理是利用量子力学把单个电子依次通过器件，产生单电子电流，根据器件的交流频率f可以得到单电子隧道电流为I=e×f，从而实现基于电子电荷
量频率量的量子电流基准。但是，该应用方法需要采用超低温和复杂的高频技术，目前还很难实现。
因此，如何获取稳定的电子束流是目前实现电流量子化的瓶颈。随着加速器领域的发展和电子测量平台的成熟，李xf等提出利用电子加速器产生弱流电子束，并通过设计调束装置对电子束进行刮束、聚束，从而获得电流量子化所需要的电子束流。这一想法实现的关键点就是要得到稳定的高品质单电子流。通过文献的初步仿真计算，束流的初始性能参数对电子束在调束管中的稳定性影响很大。而电子从根本上决定了束流的性能参数。所以，为了得到高稳定度、层流性好的单电子流，必须从源头提高束流的品质。这就对电子提出了更高的要求。
本文从电子束源及束流传输线等方面提出电子束流优化方法，推动基于电子加速器的电流量子化方案的实现。为了进一步优化束流品质，本文在现有电子束源的基础上对电子结构进行优化设计。首先，通过Opera仿真软件计算并分析了电子各结构参数对引出束流特性的影响，并综合考虑各结构
参数，以得到较理想的电子结构；其次，考虑到调束管中聚焦螺线管线圈的边缘磁场会破坏电 子内束流的品质，比较分析了增加屏蔽壳或者反抵线圈消除边缘磁场的影响程度，从而进一步优化电子束源的束流品质。
1 基于加速器的电流量子化
文献提出使用电子加速器产生弱电流电子束，通过设计调束装置在传输线上用多圆孔狭缝刮去电子束的外围多余电子，以获得单电子流，实现电流量子化。通过初步仿真计算，该方案具有一定的可行性。而产生稳定的弱流电子束并进行稳定传输仍然是一个挑战。为了进一步验证方案的可实施性并指导后续研究，本文基于自由激光太赫兹源的电子束源设备，设计了一个电子束调束管装置。该电子束源设备采用的是热阴极直流高压电子。该电子首先对灯栅加热使其发射电子，然后通过15～20 kV高压引出电子束。电子束经高压电子引出后会经过一段陶瓷漂移管，并入射到调束管中。
本文设计的电子束源产生的电子束流强较高，可以达到4.3 A。而对于强流
低能电子束而言，其空间电荷效应明显。这会导致束流发散严重，从而很难将束流从细小的阳极孔完全引出。此外，阳极孔附件由于电场分布的改变会产生严重的非线性效应，进而加剧束流的发散。因此，为解决强流低能束流引出问题，本文对电子结构进行了特殊设计，在阴极与阳极之间添加了一
个聚焦极来减小束流的横向发散，使其顺利通过阳极孔射出。对于调束装置，在调束管中间设置一个聚焦螺线管线圈对束流横向运动进行调节。在螺线管线圈的上游和下游都设置了刮束狭缝和荧光屏观察窗的组合。其中，狭缝的大小是多级可调的。利用可调狭缝可以刮去束流外围品质不好的粒子，只保留中心区域分布均匀且稳定的粒子，并实现束流流强的多级可调。荧光屏由电机驱动，可以观察到不同位置的束流尺寸参数。束流由末端的法拉第筒收集测量，用于开展电荷量的精确测量。这对束流的品质和稳定性提出了很高的要求。
然而，得到高品质电子束并稳定传输仍然是一个挑战。电子的结构参数会从根本上影响束流品质。聚焦线圈的边缘场等外部因素会破坏束流的层流性，进而影响传输线上的束流稳定性。因此，必须从电子束源和电子束传输线等方面进行优化设计，以获得实现电流量子化所需的高稳定和高品质电子束流。
2 电子束源的优化
电子作为电子束源，从源头上决定了束流的品质。因此，为了引出稳定度高、层流性好的电子束，需要综合考虑各因素对束源的影响。
数学学习与研究
2.1 电子结构分析
研讨学习环境
电子的结构及场分布决定了所发射束流的品质。为了引出高品质束流，使其具有较好的稳定性和层流性，本文在基于经典的皮尔斯电子的基础上对电子结构参数进行比较分析，探究其对束流品质的影响，从而设计出满足需求的电
子结构。以下主要分析了阴极尺寸、曲面阴极曲率、聚焦极角度以及阳极鼻锥长度这几个关键因素对束流品质的影响。
2.1.1 电子阴极大小的影响
阴极面采用平面阴极，通过改变阴极面半径大小，观察引出束流的聚焦情况、射程以及横向尺寸大小，分析阴极结构对束流品质的影响。束流聚焦过强会导致聚焦迅速发散，称为过聚焦，而聚焦太弱则会导致束流横向尺寸过大而无法顺利从较小阳极孔引出。电子射程指的是出口至焦点即束腰位置的距离。拉长射程可以为后续元件提供更为充足的装配空间，从而有望获得更高的束流品质。另外，束腰处的横向尺寸说明聚束的效果，而横向发射角代表束流的层流性。束流层流性越好，横向相空间越接近一条直线，则束腰处的发射角也越小。
阴极面大小对束流的影响如表1所示。
表1 阴极面大小对束流的影响
由表1可知，阴极面的大小会对束流特性产生明显的影响。束流轨迹投影如图1所示。
图1 束流轨迹投影图
阴极太小，束流容易过聚焦。如图1(a)所示，束腰位置处束流发散角较大，导致束流聚焦后迅速发散，严重影响层流性。但阴极太大会使得束流发散，使得部分粒子打在电子壁上或者在出口处被卡掉，不能完全引出，如图1(c)所示。因此，为了引出高品质的束流，需要选择适中的阴极面大小，保证引出束流有较好的层流性和较远的射程，如图1(b)所示。
三维牵引床>丙酸酐2.1.2 电子曲面阴极曲率的影响
对于聚焦不充分导致束流无法正常引出的情况，可以采用曲面阴极，使得粒子在引出时就具有横向初速度，从而增强束流聚焦效果。电子采用曲面阴极，并改变其曲率半径。观察束流变化情况，发现其曲率半径从50 mm变化到80 mm，束流一直处于过聚焦状态，且聚焦位置都在电子出口前。因此，使用曲面阴极容易使得束流因过早聚集而发散严重，不能完全引出；同时，通过改变阴极面的曲率半径，发现束流变化很小，要成功引出所需的电子束则需综合调整电子的其他结构参数。
2016年中央一号文件
2.1.3 电子聚焦极角度的影响
为了克服电子束由于空间电荷效应导致的发散，在阴极和阳极之间增加了一个聚焦极，通过改变电子中电场的分布，使横向聚焦力增强。而聚焦极的形状、大小和位置都会影响电场的分布，从而影响
电子束聚焦和引出。尤其是聚焦极的角度对聚焦效果起着决定性的作用。当聚焦极角度分别为43.83°、43.15°和42.27°时，电子束分别处于发散、能正常引出和过聚焦状态。由此可知，聚焦极角度的细微变化对光束的包络和品质都有很大的影响。聚焦角过大则聚焦不足，导致电子束不能充分引出。反之，聚焦角过小会造成聚焦力过大，使得电子束过早聚焦而发散严重。因此，需要精准调节聚焦极角度以到最佳尺寸。另外，聚焦极和阴极具有相同的负高压，使得聚焦极边缘角落的场强非常大，容易出现打火现象。因此，对聚焦极的边缘进行倒角对于降低尖锐处的场强很重要。
2.1.4 电子阳极鼻锥长度的影响
央行副行长回答提问为了从一个小的阳极孔中成功引出束流，本文将阳极设计为一个朝向电子内部的鼻锥。鼻锥的形状和长度可以改变电子内的场分布，尤其是阳极孔附近的场特性，从而影响径向聚焦力的作用。这对电子束聚焦特性有着明显的影响。改变鼻锥的长度后，分别仿真计算其引出束流的特性状态。阳极鼻锥长度对束流的影响如表2所示。由表2可知，鼻锥长度为11.5 mm时束流会过聚焦，发散角较大，导致束流引出后会立即发散；鼻锥长度为11.8 mm和12.0 mm时，束流能正常引出并且层流性较好。但是，当鼻锥长度为12.2 mm时，电子束会发散严重从而无法完全引出，造成部分粒子丢失在鼻锥和阳极孔内壁。由仿真结果可知，鼻锥长度变化0.2 mm对束流状态的影响都非常大。因此，要成功引出高质量的电子束，需适当匹配鼻锥的长度。
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