电子枪束流截面测量系统

    电子枪的束流特性是衡量电子枪性能的一个重要指标。强流电子枪的束流截面测试困难，主要是因为电子枪流强很大，测试时间过长，可能导致探测部分熔化，同时由于电子溅射等原因可能会导致真空系统不能维持，进而产生很多问题。但是对电子枪束斑的测试又是十分必要的：可以在电子枪未与整个加速器系统联机前了解它的性能，避免由于束斑过大而产生损坏加速管或者钛窗边缘等情况。所以设计了这个测试系统来测试电子枪束流的截面束流密度分布。本系统测试丝可以更换，在后面的验中采用直径为 0.6 mm 的测试丝，步进电机每一步推动丝架移动 0.014 mm，设计流强为 100 mA，测试时步进电机速度在 3 k 步/s 以上。

    1 测量原理

    测试装置如图 1 所示，主要部件有：步进电机、法兰、推进螺杆、导轨以及 X 形测试丝架。图 2 为三个不同时间束流与 X 形丝架的相对位置示意图（图中圆环表示束流；A、B 表示测试钨丝；箭头表示运动方向）。从图 2 可见，两根钨丝 A、B 的取向分别相应于束流截面的 X、Y 两个坐标取向。步进电机带动螺杆转动，从而推动 X 形测试丝架在束流下作往复切向运动。运动方向和 A、B 两丝的方向成 45o夹角。两根钨丝的交点不在束流的正下方，所以 X 形测试丝架上的钨丝会分时扫过束流。这样A、B 丝会在扫过束流时导出打在上面的电子，即 X、Y 方向上的截面束流密度的积分

 、 ；这种方式属于单丝扫描的改进形式^[1,2]。首先可以通过这两个电流曲线得到束流的包络，其次根据这两个曲线可以计算出束流截面的密度分布。具体计算如下：首先设Ynn,矩阵为束流截面电流密度分布矩阵，其中束流的中心位置为 ，也就是矩阵的中心； 是通过测出的 X、Y 丝扫过电子束流时测出的数据处理得出。则有：

其次根据束流的轴对称特性（椭圆形分布）改造 Y 矩阵，设a₁ ,a₂,...,a_n,b₁,b_2,...,b_n为通过束流中心的 X、Y 两个方向的电流密度，也就是 2n 个待定系数：设：

    r 为该点到束流中心的距离，外面的括号为取整运算符。

    这样可以近似满足轴对称的特性。根据式（3）、（4）可以得到式（5）。其中K_(x,y)n为求出的常数。如何求出a₁ ,a₂,...,a_n,b₁,b₂,...b_n呢？用与上面类似的方法可以构造 T(n,n)矩阵近似表示束流截面电流密度分布矩阵，使之满足轴对称（圆形分布），也就是设（5）式满足 a_k=b_k, k∈(1,..,n)，并用a_k 来表示b _k，则 Y(n,n)矩阵就变为了 T(n,n)矩阵（见（6）