螺線圈對電子束的聚焦作用

螺線圈對電子束的聚焦作用電子束流在核物理實驗中應(yīng)用非常廣泛，電子束與物質(zhì)的相互作用更是受到眾多物理學(xué)家的關(guān)注。通常在實驗中，我們希望電子束流作用到靶物質(zhì)上時是匯聚的，電子形成的束斑即打到靶物質(zhì)上的面積不能太大，這樣有利于電子束的收集并且方便于探測器進(jìn)行探測。實驗室中通常采用磁聚焦法對電子束進(jìn)行聚焦，防止其發(fā)散，故而通電螺線管產(chǎn)生的磁場對電子束的聚焦效應(yīng)便對實驗有著重要的指導(dǎo)與參考價值。應(yīng)用計算機(jī)軟件對物理過程進(jìn)行模擬在現(xiàn)代物理實驗中應(yīng)用非常普遍，這種方法應(yīng)用了計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算與數(shù)據(jù)處理能力，模擬特定系統(tǒng)的抽象模型，可極大地節(jié)約實驗過程中所需的擬結(jié)果與現(xiàn)實驗中第一章螺線管對電子束聚焦的理論計算及程序介紹據(jù)μIdlrdB=0(1)4πr2式中μ為真空磁導(dǎo)率(N/A2)，I為電流強(qiáng)度(A)，r為電流元到空間中某一點(diǎn)的0矢量半徑(m)[1]。電12=+BRR=+BRR2+y2+(xL)2(5)2RR2y2(xL)2(7)11y2(xL)2222A=++++=++++y2(xL)2121D=+++BjxLlnAXL)lnB](2)x2CD螺線管所產(chǎn)生的徑向磁場強(qiáng)度為：y4AD2AB1DCjj=NINI2L(RR)21FqvB(9)洛倫茲力垂直于運(yùn)動方向，故電子在洛倫茲力的作用下會在磁場中做圓周運(yùn)動，其運(yùn)動軌跡半徑大小為：徑向運(yùn)動的半徑越小，其運(yùn)動軌跡偏離軸線方向SIMIONSIMION是一款靜電分析和模擬軟件，可以在二維或三維條件下模擬復(fù)雜的電場或直觀的3D模型表示出來，使用者可以更好地去觀察粒子的運(yùn)動軌跡和勢場能量。多樣SIMION提供了一個點(diǎn)陣形的工作界面來定義勢場，其模擬勢場的方式為設(shè)置具有電場或磁場中任意一點(diǎn)的勢能是以設(shè)定的電極或磁極為邊界條件求解拉普拉斯方程得到，不考慮空間電荷效應(yīng)，拉普拉斯方程為：xyzSIMION對磁場進(jìn)行模擬時，由于磁場與電場不同，磁場與電勢的關(guān)系為磁場的梯勢成反比，但這帶來了問題，因為軟件需要一個標(biāo)量勢場來進(jìn)行模擬。為了解決，則SIMION軟件除模擬勢場外的另一個功能即是模擬粒子飛行，在軟件的工作界面可同質(zhì)量，電荷量的帶電粒子，以及粒子的速度大小與方向，粒子數(shù)量等等。當(dāng)mzGV2.1、MATLAB對磁場進(jìn)行模擬的工與實mm生的磁場大小關(guān)于軸線對meshgrid,33.5]范圍內(nèi)生成網(wǎng)格坐標(biāo)。并將(2)式與(3)式軸為軸向磁場強(qiáng)度變化。b徑向方向變化并不MATLAB算得網(wǎng)格坐標(biāo)中每一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度，可以作擬的依據(jù)。。極以外的區(qū)域由于距通電螺線管較遠(yuǎn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度較弱，由計算可得磁場強(qiáng)度小于mI0A時電子束打到靶上的束斑從圖中所示束斑可以得知，螺線管電流為從圖中所示束斑可以得知，螺線管電流為0A時，即未加聚焦磁場的情況下，電子束直線飛行，直接經(jīng)過管道進(jìn)入靶室內(nèi)，此時發(fā)散程度較大，在接受屏上形成的束斑形斑直徑已接近狹縫即1.5mm。當(dāng)螺線管電流增值6A，8A，10A時，束斑形狀接近1.5mm*1.5mm的方形，即入射時通過的狹縫形狀，說明此時聚焦效果較強(qiáng)，電子束流的發(fā)散程度已經(jīng)很小。螺線管對電子束的聚焦效果此時已達(dá)最大程度。第三章程序模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比由實驗結(jié)果與理論模擬對比可得，實驗所得束斑大小相對理論模擬結(jié)果較小，可能是由于電子從狹縫中射出時發(fā)散角要小于模擬過程中所采用的最大發(fā)散角。而束斑中心度，重新進(jìn)行模擬，所得束斑如圖3.4所示，此時束斑直徑約為1.5mm，相對中心位置下偏3.52mm，右偏2.36mm，與實驗所得束斑較為接近，故實驗中可能存在狹縫中心與小孔中心不在同一直線等問題使得電子束初始速度方向發(fā)生了偏移。因此，我們可以根據(jù)實驗結(jié)果相對于理論模擬偏移的程度與方向來計算影響電子束實驗中狹縫位置與小孔位置有一定相對偏移等等)。由此對實驗條件作出調(diào)整，得到更好的實驗效果。圖3.4變更條件后模擬所得束斑第四章總結(jié)使用了SIMION所得磁場進(jìn)行模擬，得到電子在其磁場中的運(yùn)動軌跡，不考慮其他因素時在實驗所得電子束斑的位置和大小，可為實驗條件的選擇及實驗過程中的計算提供很好的指導(dǎo)及參考。通過與實驗結(jié)果的對