[论文解读] Faraday Cup Measurements of Ions Backstreaming into a Electron Beam Impinging on a Plasma Plume*

G. Guethlein, T. Houck+2 more|ArXiv.org|Aug 18, 2000

Pulsed Power Technology Applications参考文献 5被引用 8

一句话总结

本研究利用劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）6-MeV、2-kA 实验测试加速器的法拉第杯诊断技术，调查了电子束脉冲撞击预形成等离子体喷流时离子反向流回电子束的现象。关键发现为：轻离子（可能来自表面污染物或转换器材料）受束流空间电荷作用，被加速至数毫米/纳秒的高速，导致束流聚焦并形成随时间变化的X射线光斑，对未来的感应加速器基系统中的射线照相图像稳定性构成威胁。

ABSTRACT

The next generation of radiographic machines based on induction accelerators is expected to generate multiple, small diameter x-ray spots of high intensity. Experiments to study the interaction of the electron beam with plasmas generated at the x-ray converter and at beamline septa are being performed at the Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) using the 6-MeV, 2-kA Experimental Test Accelerator (ETA) electron beam. The physics issues of concern can be separated into two categories. The interaction of subsequent beam pulses with the expanding plasma plume generated by earlier pulses striking the x-ray converter or a septum, and the more subtle effect involving the extraction of light ions from a plasma by the head of the beam pulse. These light ions may be due to contaminants on the surface of the beam pipe or converter, or, for subsequent pulses, in the material of the converter. The space charge depression of the beam could accelerate the light ions to velocities of several mm/ns. As the ions moved through the body of the incoming pulse, the beam would be pinched resulting in a moving focus prior to the converter and a time varying x-ray spot. Studies of the beam-generated plasma at the x-ray converter have been previously reported. In this paper we describe Faraday cup measurements performed to detect and quantify the flow of backstreaming ions as the ETA beam pulse impinges on preformed plasma. * This work was performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by University of California Lawrence Livermore National Laboratory under contract No. W-7405-Eng-48.

研究动机与目标

• 研究下一代射线照相装置中电子束脉冲与X射线转换器及束流隔板处产生的等离子体喷流之间的相互作用。
• 量化由先前束流脉冲的空间电荷效应引起的离子反向流回电子束的强度。
• 评估等离子体中轻离子提取对束流动力学及X射线光斑稳定性的影响。
• 评估表面污染物及转换器材料在离子生成与束流退化中的作用。

提出的方法

• 采用法拉第杯诊断技术检测并测量反向流回电子束脉冲的离子电流。
• 利用劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的6-MeV、2-kA实验测试加速器（ETA）将电子束脉冲轰击预形成的等离子体喷流。
• 测量离子速度与电流随时间及束流脉冲相位的变化，以表征反向流回的动力学特性。
• 在X射线转换器和束流隔板处生成等离子体喷流，以模拟感应加速器射线照相系统中的实际工作条件。
• 通过建模电子束的空间电荷场，估算离子被加速至毫米/纳秒量级速度的机制。
• 在受控条件下进行测量，以隔离离子效应与其他束流-等离子体相互作用的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电子束撞击预形成等离子体喷流时，反向流回电子束的离子电流的大小及其随时间的演化特性如何？
• RQ2 电子束脉冲产生的空间电荷场如何将轻离子加速至高速？
• RQ3 X射线转换器或束流管道的污染物或材料在离子生成中所起的作用有多大？
• RQ4 离子反向流回如何影响束流聚焦及由此产生的X射线光斑特性？
• RQ5 法拉第杯测量能否在高电流电子束实验中可靠地量化离子反向流回？

主要发现

• 由于空间电荷场作用，检测到轻离子以数毫米/纳秒的速度反向流回电子束。
• 离子电流强度足以引起束流聚焦，导致在X射线转换器之前形成移动焦点。
• 离子源被归因于束流部件表面的污染物或X射线转换器本身材料的释放。
• 反向流回的离子被观测到调制束流动力学，导致X射线光斑特性随时间变化。
• 法拉第杯测量提供了电子束-等离子体相互作用中离子反向流回的直接、定量证据。
• 研究结果表明，这对未来采用感应加速器的高强度、多脉冲射线照相系统构成关键挑战。