电子束流能量测量

正电子束的产生和运输在目前已经建成的慢正电子束流装置中，它们所采用的正电子源可以分为两种，一种是利用电子直线加速器打靶产生的正电子，再经过热化成为能量可调单能慢正电子束，其束流强度较大，但是必须依赖于电子的加速器。

另一种是利用放射性同位素衰变产生正电子，投资的相对较少，但是受放射源强度限制导致束流强度偏弱。

而如果从束流是否连续又可以分为脉冲束流与连续束流。

脉冲正电子束流可以获得正点的起始信号，用于测量正电子的寿命谱。

而连续束流缺乏时间关联，用于多普勒展宽谱的测量。

1.1 源的选择一般的情况下，具有+β衰变放射性核素都是缺中子核素，但它们寿命并不长。

对于放射源选择，既要有合适能量，适中价格，较大的半衰期以及大的发射正电子分支比。

综上考虑，我们选择了Na 22，它的价格适中，发射正电子分支比为90%，半衰期为2.6a 。

1.2 正电子的慢化Na 22源放射出的正电子能量在0~0.545MeV 范围内分布（如图【1】，图中左侧的竖框表示用慢化体方法得到慢正电子的产额）。

【1】 当我们加入慢化体后，慢化体的效率通常由三个因素决定：1、慢正电子中能扩散到表面的正电子比例；2、快正电子在慢化体中的注入深度分布；3、扩散到表面后能从表面发射出的正电子的比例P 。

此时，定义慢化体的效率ε为： ε=14.1max 2/1)()(7.1E D P eff τρ+式中：ρ——慢化体的密度，3-⋅cm g ；eff τ——正电子在慢化体中的寿命；max E ——注入正电子的最大能量；+D ——正电子扩散系数，12-⋅s cm 。

1978年Mills 发现了高效的真空退火W 慢化体。

利用W （100）单晶做慢化体，慢化效率达到了4101.8-⨯ ，至今报道的效率最高的W 单晶慢化体是Vehanen 等用W （110）单晶加氧化处理的，效率为3102.3-⨯。

慢化体的几何结构，正电子源和慢化体以及重发射侧面的关系大致可分为以下五类：1、透射式：顾名思义，正电子的入射与出射分别在慢化体的两侧，这样就要求慢化体不能厚，缺点就是薄膜易有缺陷， 而缺陷捕获正电子而降低正电子的重发射概率。

电子在电磁场中运动规律的研究【实验目的】1、了解带电粒子在电磁场中的运动规律，电子束的电偏转、电聚焦、磁偏转、磁聚焦的原理；2、学习测量电子荷质比的一种方法。

【实验原理】1、示波管的简单介绍：示波管结构如图1所示示波管包括有：（1）一个电子枪，它发射电子，把电子加速到一定速度，并聚焦成电子束；（2）一个由两对金属板组成的偏转系统；（3）一个在管子末端的荧光屏，用来显示电子束的轰击点。

所有部件全都密封在一个抽成真空的玻璃外壳里，目的是为了避免电子与气体分子碰撞而引起电子束散射。

接通电源后，灯丝发热，阴极发射电子。

栅极加上相对于阴极的负电压，它有两个作用：①一方面调节栅极电压的大小控制阴极发射电子的强度，所以栅极也叫控制极；②另一方面栅极电压和第一阳极电压构成一定的空间电位分布，使得由阴极发射的电子束在栅极附近形成一个交叉点。

第一阳极和第二阳极的作用一方面构成聚焦电场，使得经过第一交叉点又发散了的电子在聚焦场作用下又会聚起来；另一方面使电子加速，电子以高速打在荧光屏上，屏上的荧光物质在高速电子轰击下发出荧光，荧光屏上的发光亮度取决于到达荧光屏的电子数目和速度，改变栅压及加速电压的大小都可控制光点的亮度。

水平偏转板和垂直偏转板是互相垂直的平行板，偏转板上加以不同的电压，用来控制荧光屏上亮点的位置。

2、电子的加速和电偏转：为了描述电子的运动，我们选用了一个直角坐标系，其z 轴沿示波管管轴，x 轴是示波管正面所在平面上的水平线，y 轴是示波管正面所在平面上的竖直线。

从阴极发射出来通过电子枪各个小孔的一个电子，它在从阳极2A 射出时在z 方向上具有速度Z v ；Z v 的值取决于K 和2A 之间的电位差C B 2V V V +=（图2）。

电子从K 移动到2A ，位能降低了2V e ∙；因此，如果电子逸出阴极时的初始动能可以忽略不计，那么它从2A 射出时的动能2z v m 21∙ 就由下式确定：22z V e v m 21∙=∙ （1） 此后，电子再通过偏转板之间的空间。

电子束焊焊接方法基本概念电子束焊是利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的方法。

基本原理和分类电子束焊接因具有不用焊条、不易氧化、工艺重复性好及热变形量小的优点而广泛应用于航空航天、原子能、国防及军工、汽车和电气电工仪表等众多行业。

电子束焊接的基本原理是电子枪中的阴极由于直接或间接加热而发射电子，该电子在高压静电场的加速下再通过电磁场的聚焦就可以形成能量密度极高的电子束，用此电子束去轰击工件，巨大的动能转化为热能，使焊接处工件熔化，形成熔池，从而实现对工件的焊接。

电子束焊的分类方法很多。

按被焊工件所处的环境的真空度可分为三种：高真空电子束焊，低真空电子束焊和非真空电子束焊。

1.高真空电子束焊是在10-4～10-1Pa的压强下进行的。

良好的真空条件，可以保证对熔池的“保护”防止金属元素的氧化和烧损，适用于活性金属、难熔金属和质量要求高的工件的焊接。

2.低真空电子束焊是在10-1～10Pa的压强下进行的。

压强为4Pa时束流密度及其相应的功率密度的最大值与高真空的最大值相差很小。

因此，低真空电子束焊也具有束流密度和功率密度高的特点。

由于只需抽到低真空，明显地缩短了抽真空时间，提高了生产率，适用于批量大的零件的焊接和在生产线上使用。

3.在非真空电子束焊机中，电子束仍是在高真空条件下产生的，然后穿过一组光阑、气阻和若干级预真空小室，射到处于大气压力下的工件上。

在压强增加到7～15Pa 时，由于散射，电子束功率密度明显下降。

在大气压下，电子束散射更加强烈。

即使将电子枪的工作距离限制在20～50mm，焊缝深宽比最大也只能达到5：1。

目前，非真空电子束焊接能够达到的最大熔深为30mm。

这种方法的优点是不需真空室，因而可以焊接尺寸大的工件，生产率较高。

工艺特点和应用范围1.工艺特点①电子束穿透能力强(功率密度可达106W/cm2)，焊缝深宽比大(可达50:1)，易于实现厚度差极大的焊件之间的接。

扫描电镜（SEM）简介扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种利用电子束对样品表面进行扫描的显微镜。

相比传统的光学显微镜，SEM具有更高的分辨率和更大的深度视野，使得它成为材料科学、生命科学和物理科学等领域中常用的研究工具。

SEM通过利用电子多次反射，将样品表面的形貌细节放大数千倍，可以观察到微观结构，比如表面形态、粗糙度、纳米级颗粒等。

SEM通常需要真空环境下操作，因为电子束在大气压下很快会失去能量而无法达到高分辨率。

工作原理SEM的工作原理可以简单地分为以下几步：1.电子发射：SEM中，通过热发射或场发射的方式产生电子束。

这些电子被加速器加速，形成高速的电子流。

电子束的能量通常在10-30 keV之间。

2.样品照射：电子束通过一个聚焦系统照射到样品表面。

电子束与样品原子发生相互作用，从而产生各种现象，比如电子散射、透射和反射。

3.信号检测：样品与电子束发生相互作用后，产生的信号会被探测器捕获。

常见的SEM信号检测器包括二次电子检测器和反射电子检测器。

这些探测器可以测量电子信号的强度和性质。

4.信号处理和图像生成：SEM通过对探测到的信号进行处理和放大，生成图像。

这些图像可以显示出样品表面的微观结构和形貌。

应用领域SEM在许多科学领域中都有广泛的应用。

以下是一些常见的应用领域：材料科学SEM可以用于研究材料的结构和形态。

它可以观察微观缺陷、晶体结构、纳米颗粒等材料细节。

这对于材料工程师来说非常重要，可以帮助他们改进材料的性能和开发新的材料。

生命科学SEM可以用于观察生物样品的微观结构。

比如，它可以观察细胞的形态、细胞器的分布和细胞表面的纹理。

这对于生物学家来说非常重要，可以帮助他们了解生物体的结构和功能。

纳米科学SEM在纳米科学领域中也有广泛的应用。

通过SEM可以对纳米材料进行表面形貌和结构的观察。

它可以显示出纳米结构的细节，帮助科学家研究纳米颗粒的组装、层析和相互作用等现象。

1微束分析原子序数不小于11的元素能谱法定量分析范围2本文件规定了用安装在扫描电镜（SEM）或电子探针（EPMA）上的能谱仪对试样上特定点或特定区域进行定量分析的方法。

本文件描述了多种能谱法定量分析方法。

本文件适用于利用参考物质或“无标样”程序对质量分数高于1％的、原子序数不小于11的元素进行定量分析。

本文件也给出了对原子序数小于11的轻元素分析方法的信息。

注：当没有重叠峰，并且相应的特征X射线被强烈地激发时，能谱仪也可以测量质量分数在0.1％水平的元素。

本文件主要应用于表面平整试样的定量分析，基本方法也适用于表面不平整试样的分析，但会引入附加的不确定度分量。

规范性引用文件下列文件全部或部分地引用于本文件中，且对于本文件的使用不可缺少。

对于注明日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。

对于不注明日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

3GB/T 20726—2006 半导体探测器X射线能谱仪通则（ISO15632：2002，IDT）GB/T 27025—2008 检测和校准实验室能力的通用要求（ISO/IEC 17025：2005，IDT）GB/T 27788 微束分析扫描电镜图像放大倍率校准导则（ISO16700，IDT）GB/T 30705微束分析电子探针显微分析波谱法实验参数测定导则（ISO14594，IDT）术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

3.1准确度 accuracy真值与测量值之间的一致程度。

3.2加速电压accelerating voltage为加速从电子源发射的电子而加到灯丝和阳极之间的电位差。

注：加速电压用千伏（kV）表示。

3.3束流 beam current电子束中的电流。

注：束流用纳安表示。

3.4束流稳定性 beam stability分析过程中束流的变化程度。

注：束流稳定度用百分数/h表示。

3.5特征X射线 characteristic X-ray原子内壳层电子被电离后，由较外层电子向内壳层跃迁产生的具有特定能量的电磁辐射光子。

合肥先进光源储存环束流参数一、束流能量和重复频率:HEPS的储存环计划采用典型能量为6 GeV的双线性波形脉冲模式。

脉冲重复频率为1 MHz，每个脉冲时间长度为100 ns，能量存储在5.6 GeV处（水平长度为360 m）。

这样的能量和重复频率设计使得HEPS能够满足高亮度X射线束的需求。

二、储存环参数:1. 周长: HEPS的储存环周长设计为1.3 km，这使得HEPS兼具紧凑和高能效的特点。

2. 光源亮度: HEPS的目标亮度为10^33 cm^−2 s^−1，这意味着能够提供高强度、高质量和高亮度的X射线束。

3.真空要求:为了确保束流运行的稳定性和高质量，HEPS的真空系统设计要求高。

系统采用先进的非均匀长孔(UCO)加速结构，具有较小的截面与巴隆点电流，减小了束团误差。

4. 加速器参数: HEPS的加速器参数包括直线加速器（linac）和储存环。

直线加速器负责将电子束提升到储存环设计能量。

加速器组件采用自行研发的高梯度超导技术，以提供足够高的加速电场和降低功耗。

5.磁铁参数:HEPS设备包括主磁铁和辅助磁铁。

主磁铁是使电子束流沿着环形轨道运行的关键部分。

辅助磁铁在储存环中提供束流垂直操纵，以便于束流横向收束和束团半宽的控制。

6.射线探测器:为了满足高能性测量准确性的要求，HEPS计划安装高性能射线探测器。

这些探测器将用于实时监测束流参数，包括能量、位置和发射度等。

7.设备冷却系统:为了保持加速器和储存环的稳定性和高效性，HEPS将配置先进的超导技术，并建立冷却系统，以维持设备在超导状态下的温度。

三、应用领域:HEPS的设计参数使其适用于多种科学研究领域，包括材料学、生物学、化学和物理学等。

HEPS将为科学家们提供了一个高亮度、高能分辨率和高重复频率的X射线源，有助于更深入地研究物质的结构和相互作用，促进科学研究和技术创新。

美国连续束电子加速器的能量升级到12Ge V 的科学与实验设备石　宗　仁(中国原子能科学研究院　北京　102413)摘　要 驱动美国托马斯杰斐逊国家加速器装置(Thomas Jeffers on Nati onal Accelerat or Facility,简称JLab )的能量升级到12GeV 的科学是研究胶子激发和色禁闭的起因,研究原子核的构件核子是如何由夸克和胶子构成的,研究原子核的结构及寻找新物理等的一门科学.实验设备是12Ge V 的加速器、各种超导磁谱仪及极化靶等.在能量为12Ge V 的加速器中,将采用深度遍举过程和极化实验.关键词 胶子激发,色禁闭,普适的部分子分布,连续束电子加速器,超导磁谱仪,深度遍举过程,极化The exper i m ent a l equi p mentfor the 12GeV upgrade of CEBAF a t J LabSH I Zong 2Ren(China Institute of A to m ic Energy,B eijing 102413,China )Abstract The upgrade at JLab of the continuous electr on beam accelerator facility to 12GeV was based on the requirements for research on gluonic excitations and the origin of quark confinement,how nucleons are built up fr om quarks and gluons,the structure of nuclei,and new physics .The upgraded experi mental equipment includes the 12GeV accelerator,superconducting magnetic s pectr ometers and polarized targets .Keywords gluonic excitations,color confinement,generalized parton distributi ons,continuous electr on beam accelerator,superconducting magnetic s pectr ometer,deep exclusive p rocesses,polarizati on2006-03-10收到初稿,2006-04-28修回　Email:zrshi@iris .ciae .ac .cn1　引言核物理学是一门研究原子核性质及其结构的基础科学,是核工程的物理基础,是研究物质起源和演化的基础,也是研究星际燃料来源的基础,是理论与实验紧密结合、不断深入和发展、需要长期研究的科学.它在国防、能源、医学、材料分析及其改性、环境科学和空间探索等方面都已发挥了重要的作用.在21世纪,核物理学将面临新的机遇和挑战.美国将核物理学作为国家级的科学,是美国技术大厦的支柱之一,也是培养人材的摇篮.在1979年,美国能源部和美国国家自然科学基金委员会的核科学咨询委员会第一次制定了核科学的长远规划LRP (a Long range p lan for nuclear science ),它评估过去、展望和计划未来.在随后的1983、1989、1996和2002年都做过LRP .在1989年的LRP [1]中,将标准模型(standard model,简称S M )作为核物理学的理论基础,其中强相互作用理论是量子色动力学(quantu m chr omo dyna m ics,QCD )它标志了核物理学新的里程碑.在文献[1]中,也明确地提出了原子核组成的四个层次:原子核类似于有表面振动和集体转动的液滴;原子核由核子组成;原子核由核子、介子和核子激发态等强子组成,也称为介子-重子模型(mes 2on-bary on model);原子核由夸克和胶子组成等.前两个层次构成了低能核物理.前三个层次统称传统核物理(conventi onal nuclear physics).在夸克和胶子的层次上研究强子和原子核的性质称为现代核物理(conte mporary nuclear physics).在2002年的LRP[2]中,明确地提出现代核物理包含5个科学目标:(1)核子的QCD结构及其相互作用;(2)原子核的结构及其稳定性;(3)高能量密度的QCD及热核物质的性质;(4)在核天体中元素的起源及物质的演化;(5)寻求新物理.美国托马斯杰斐逊国家加速器装置(Thomas Jeffers on Nati onal Accelerat or Facility,简称JLab)是基于第一、第二和第五个科学目标.总之,现代核物理以标准模型为理论基础,在夸克和胶子的层次上研究核物质的性质.当前研究非微扰QCD、色禁闭(col or confin ment)机制以及QCD 真空的结构是重要的科学任务.它的研究内容已经大大地超出了传统的范围.当然,人们最终希望用QCD统一地描述强子和原子核及其在各种极端条件下核物质的性质,它将是21世纪核物理学面临的机遇和挑战.为此,对构成核物理实验的炮弹(入射粒子束)、靶、探测器、电子学线路和数据获取及其处理程序,以及实验方法等都提出了新的要求.首先,人们需要多种类型的加速器,以提供参于电磁、弱和强相互作用的高品质的多种初级和次级粒子束(初级的如电子、质子和重离子,次级的如γ射线、反质子和中微子等),从而探知强子的电磁、弱和强相互作用方面的结构及极端条件下核物质的性质.其中高品质电子加速器具有头等重要的作用.这是由于电磁相互作用在理论上清楚,可微扰计算,大多数反应是单步过程,具有远高于弱相互作用的强度,以及通过调节电子转移四动量的平方(Q2)可改变空间和时间分辨率等优点.借改变Q2,能够观察到在核子内组分夸克模型CQM(constituent quark model)和部分子模型(part on model)之间以及在原子核内4个层次及其间的过渡性质.在1956年,Hofstadter等人[3]通过电子弹性散射,测量了质子内部的电荷和电流分布,说明了质子不是点粒子,而是有结构的,由此Hofstadter获得了诺贝尔奖;在1968年,Friedman等人[4]在斯坦福直线加速器中心(Stanf ord linear accelerat or center, S LAC)通过电子深度非弹散射(deep inelastic scat2 tering,D I S)发现了质子内部有后来称为夸克的微小颗粒存在,为此获得了诺贝尔奖;Prescott等人[5,6]利用极化电子-非极化靶,测量电子极化不对称度,证明了弱相互作用中存在中性流;在1983,年欧洲合作组Aubert等人[7]利用电子在原子核上的D I S,发现了原子核的结构不同于自由核子集体的结构,它称为E MC效应;A sh man等人[8]利用极化电子-极化靶,测量极化不对称度,发现了夸克对质子自旋的贡献约20%,而相对论CQM预言约70%,这是著名的至今仍在研究的热门课题“自旋危机”(s p in cri2 sis).大量事实已证明,电子是研究强子和原子核性质的强有力的探针.在虚光子携带能量等于零的B reit框架中,虚光子的波长λ=h/(2πQ),Q越大,λ越小,空间分辨率也越高.用高能量的电子能获得大的Q值.由于反应截面反比于Q n,一般n=4,所以Q越大,截面越小,为补偿小截面,需要强束流.实验上,由于需要采用对夸克和胶子场算符矩阵元灵敏的遍举和极化测量,所以分别要求电子束流的占空因子(duty fac2 t or)～100%(也称连续束),以及电子自旋具有取向的极化束.总之,需要高能、强流、极化和连续束的电子加速器.现在,J lab具有6Ge V、强流、极化、连续电子束的加速器装置(continuos electr on bea m accelerat or fa2 cility,简称CE BAF).随着QCD的进展,如色禁闭的流管模型被第一原理的格点(lattice)规范QCD计算所证实,新的包含丰富强子结构信息的普适的部分子分布(generalized part on distributi ons,GP D)理论的出现等,驱使人们采用12Ge V或更高能量的CE2 BAF.目前,由于技术上的成熟,将6Ge V提高到12Ge V是现实的,预计2010年即可实现.12Ge V将为人们提供新的运动学的区域,打开许多新的前所未有的研究窗口,以及在已有的运动学区域提供统计不确定度小的实验数据.在12Ge V,将采用深度遍举过程DEP(deep exclusive p r ocesse)和极化实验.本文第2节介绍驱动12Ge V的核科学,第3节是JLab的发展历史,加速器和超导磁谱仪等的现状和未来,在结束语中简单地介绍国际上在核物理方面正在筹建的大型加速器.在附录Ⅰ,简要地介绍了S M和QCD,在附录Ⅱ,介绍了实验上相关的问题:遍举和极化测量,运动学变量和反应类型,观测量和因子化定理等.本文主要参考了JLab在2004年6月的“CE BAF12Ge V改进的科学和实验装置的预概念设计报告”[9],及有关的文献.2　驱动12Ge V 的核科学胶子激发和色禁闭的起因、原子核构件是如何由夸克和胶子构成的、原子核物理和检验对称性及寻找新物理等四个方面的科学动机驱动了12GeV.下面分别叙述它们,但着重说明前两个.2.1　胶子激发和色禁闭的起因通过研究胶子的性质及其在强子中的作用,能得出色禁闭的起因,而寻找和研究含有胶子自由度的混合介子(hybrids )则是重要的手段.在JLab 新建的D 厅里,胶子激发(gluonic excitati ons )合作组(简称Glue X 组)将通过线极化的实光子与核子相互作用产生混合介子,利用密封性的谱仪测量混合介子的各种衰变产物.实验上将得到普通介子、轻夸克的混合介子、胶球(glueball )、介子分子态(mes on -mes on molecules )的质量谱,特别是奇异混合介子的质量谱[9,10].2.1.1　流管-色禁闭的起因早在1970年,Na mbu Y 在芝加哥大学没有发表的报告中,谈到在粒子内部夸克是由弦联系在一起的.在1985年,Isgur 和Pat on [11]提出了胶子的流管(gluonic flux -tube )模型.在1995年,Bali 等人[12]用格点QCD 计算表明,介子中的正反价夸克间形成了由胶子构成的流管.图1表示出量子电动力学QE D 和QCD 的场线和力同介子的正反价夸克间距的关系.图的上部分显示出QED 单位面积的电力线数和力反比于r 2,而势能将反比于r ,r 越大,势能越小.图的下部分显示出QCD 单位面积的色力线数和力与r 无关,势能将随r 线性增加,r 越大,势能越大.QCD 和QE D 的性质截然不同.色禁闭起源于流管的形成,GlueX 实验将检验它是否正确.2.1.2　普通介子的JPC根据CQM ,在夸克和反夸克构成的普通介子中,胶子自由度被冻结了,普通介子用qq _表示.qq _的总角动量J =L +S,宇称量子数P =(-1)L +1,电荷共轭量子数C =(-1)L +S.其中L 是正反夸克的相对轨道角动量;总自旋S =s 1+s 2,s 1和s 2分别是等于1/2的正反夸克的自旋.当L =S =0时,J PC=0-+,对应于九重赝标量介子(p seudoscalar mes on )π、η、η′和K;当L =0,S =1时,J PC =1--,对应于九重矢量介子(vect or mes on )ρ、ω、<和K 3.图1　在QCD 和QED 中的场线和力同正反价夸克间距的关系具有整数自旋J 、宇称P =(-1)J的称为自然宇称的粒子,P =(-1)J +1的称为非自然宇称的粒子.自然性(naturality )量子数τ=P (-1)J,自然宇称和非自然宇称粒子的τ分别为+1和-1.赝标量介子的τ=-1,矢量介子的τ=+1.2.1.3　混合介子的J PCHCQM 不能描述用qq _g 表示的混合介子,它的存在表明,在低能QCD 有价胶子自由度.流管基态的角动量L ′=0,最低的胶子集体激发态是L ′=1,它相当流管的顺时针和逆时针的两种转动态,两者的线性组合构成了J PC G =1-+和1+-的退化态.J PC与J PCG 耦合可得到qq _g 的J PCH ,见表1.从表1能够看出,J PC G 与L =S =0的J PC耦合产生的J PCH =1--和1++,在S =1的J PC中有其副本.J PCG 与S =1的JPC耦合产生的J PCH 有两类:一类是τ=-1,如0-+,2-+,1+-,…,在S =0的J PC 中有其副本;另一类τ=+1,如1-+,0+-,2+-,…,在J PC中没有副本.J PCH 与J PC相同的称为普通的qq _g,不同的称为奇异(exotic )的qq _g .由此得出,奇异的qq _g 能够通过S =1的矢量介子的胶子集体激发产生,但不能通过S =0的赝标量介子产生.在高能,由于光子可看作是由自旋平行的虚的正2反夸克构成的矢量介子,所以它能够产生奇异的qq _g .在表1也列出了L ≠0的J PCH .由于普通的qq _g 与qq _能够产生组态混合,所以实验上很难区分两者.如果在实验上找到了奇异的qq _g,如J PCH =1-+,那么qq _g 就被唯一的确定了.格点QCD 已经预言了轻夸克qq _g 的谱及其衰变方式,表1　J PC 和J PCHSL012JPC00-+1+-2-+11--(0,1,2)++(1,2,3)--J PCH01--,1++(0,1,2)++,(0,1,2)--(1,2,3)--,(1,2,3)++1(0,1,2)-+,(0,1,2)+-(1;0,1,2;1,2,3)+-,(1;0,1,2;1,2,3)-+(0,1,2;1,2,3;2,3,4)-+,(0,1,2;1,2,3;2,3,4)+-式,其中最低的1-+的奇异q q _g 质量为1.9—2.0Ge V.图2表示在2.7Ge V /c2以下的q q _、胶球、q q _g和介子分子态的质量谱.从图可以看出,在1.3—2.7Ge V /c2的区间,除奇异qq _g 具有0+-、1-+、2+-量子数外,其他的都没有,所以实验上找到具有此量子数的介子就是奇异的qq _g.图2　普通介子、胶球、混合介子和分子态的质量谱2.1.4　光致反应除光子等效矢量介子外,由于能够得到高品质、高强度、线极化的光子束,所以用光致反应产生qq _g,特别是奇异的qq _g,是有效和现实的.光致反应γ↑N →X ↑N ′,s =(p γ+p p )2,(1)t =(p γ-p X )2,(2)其中X 是具有确定J P的qq _g;↑表示γ射线是线极化的,及在实验上测量X 的极化;N 和N ′分别是初态核子和末态重子;洛伦兹标量s 和t 分别是在质心系的能量和四动量转移,称为Mandelstam 变量.在图3的t 道反应中,当没有重子数交换时,可以通过交换介子或坡密子(pomer on )等实现.在小t 时,主要是交换π+[13].实验上光子和核子靶分别是线极化和非极化的,测量反冲核子(但不测其极化)并测量X 衰变产物的角分布.通过角分布能够导出X 的极化方向和极化度.当交换坡密子时反应截面σ与随s 无关;当交换介子时,σ随s 增大而减少,σ与t 满足指数衰减关系:σ～e -α│t │.图3　光致产生混合介子的t 道反应2.1.5　线极化光子使用线极化光子的意义在于通过测量X 的极化,如果交换粒子的自然性知道了,就能知道X 的自然性,反之亦然;X 的极化方向与光子的线极化方向是相互关联的,并与X 的自然性有关.线极化光子的波函数为│x 〉=(│-1〉-│+1〉)/2,(3)│y 〉=i (│-1〉+│+1〉)/2,(4)其中│-1〉和│+1〉分别是左和右手圆极化光子的本征态.在光子和X 的三动量方向构成的产生平面里,│x 〉和│y 〉分别是在其内和与其垂直的线极化光子.由于|x 〉和|y 〉分别是左和右圆极化光子的差与和,所以它们对应的幅度分别是〈J X λX |T |J γλγ,J ex λex 〉与〈J X λX |T |J γ-λγ,J ex λex 〉的差与和.J ex 和λex 分别是交换粒子粒子的角动量和螺旋性.螺旋性定义为粒子自旋在其运动方向上的投影,其取值为-s 至s .在相互作用顶点,根据宇称和角动量守恒,〈J X λX |T |J γλγ,J exλex 〉∞τ〈J X -λX |T |J γ-λγ,J ex -λex 〉[14,15],其中τ=τX τex .从测量X 的极化,可判定τ=+1或τ=-1,于是如果X 的τX 知道了,交换粒子的τex 就知道了,反之亦然.当t 道交换π+时,如果τX =-1,X 的线极化方向与光子的线极化方向平行;如果τX =+1,X 的线极化方向与光子的线极化方向垂直[13].非极化和圆极化光子不具备这种性质.2.1.6　分波分析分析实验数据的重要工具是分波分析P WA (partial wave analysis ).螺旋性的反应幅度能够多极展开:T λ3λ4;λ1λ2=16πρJ ≥μ(2J +1)T J λ3λ4;λ1λ2(s )d Jλλ′(θs ),(5)λ=λ1-λ2,λ′=λ3-λ4,m =max (|λ|,|λ′|),其中T Jλ3λ4;λ1λ2是分波的系数;λ1、λ2、λ3和λ4分别是光子、N 、X 和N ′的螺旋性;J 是分波的阶数;d J λλ′(θs )是转动矩阵,d J 00(θs )=P J(θs );在质心坐标系中,λ和λ′分别是碰撞前后总角动量在运动方向上的投影.通过拟合角分布和各种极化观测量,确定分波系数,然后得到共振参数及J PC等.P WA 具有固有的缺点:当增加分波时,强分波串到弱分波,这种现象称为Dannachie 的连续模糊性或称泄漏.为了减少泄漏,建立密封性、质量分辨好、允许高计数率、对各种衰变方式灵敏、效率随角度变化均匀的探测器是必要的.D 厅的探测器正是根据这些要求设计的.2.2原子核构件核子的基本结构核子是原子核的基本构件,它的质量、自旋及相互作用性质直接取决于其内部的夸克和胶子的运动,它可用附录(Ⅰ)的(1)式描述,研究核子结构是QCD 的突出任务.在1994年以后,Muller [16],J i [17]和Radyush 2kin [18]等人提出了新的普适于硬的遍举过程的GP D ,这些过程如:深度虚光子的康普顿散射DVCS (deep ly virtual Co mp t on scattering ),ep →ep γ;深度虚介子产生过程DVMP (deep ly virtual mes on p r oduc 2ti on ),ep →epm;深度虚光子的双轻子产生,ep →ep ll 等.DVCS 和DVMP 的手袋(handbag )见图4,从DVCS 的手袋图看出,电子发射的虚光子γ3从质子击出一个夸克,高速夸克传播距离z 发射实光子γ后返回质子.在DVMP 中,高速夸克发射的胶子转变成正反夸克对qq _,其中q 返回质子,q _与被击中的夸克形成赝标量或矢量介子.GP D 打开了新的研究非微扰QCD 的窗口.它是图4　DVCS 和DVMP 的手袋图形状因子FF (for m fact or )、部分子分布函数P DF(part on distributi on functi ons )、分布幅度的统一.它给出了许多新的预言:夸克轨道角动量同GP D 的关系;矢量介子产生反应对胶子灵敏;冲击参数分布能够给出纵向动量比例x 和冲击参数b ⊥关联的三维图像,称为核子的断层扫描[19];通过DVCS 和BH (Bethe -Heitler )相干项可以得到反应幅度的相位参数,实现强子的全息照相[20];GP D 的二次矩是引力理论中的能量-动量张量形状因子等.由于它包含了丰富的强子结构信息,所以利用12Ge V 测量GP D 是重点之一.在12Ge V ,通过单举、半单举和遍举及极化测量,研究价夸克极化的P DF 、微扰QCD 的组分标度、强子螺旋性守恒、核子自旋结构、横动量相关的分布函数、高级t w ist 效应、普适的G DH (gerasi m ov drell hearn )求和规则、夸克-强子二重性等广泛的课题.2.2.1　GP D在硬反应(hard reacti on )中,夸克场算符[21]为O (x )=1/4π・∫d z -exp (xP +z -)q _(-z /2)Γi W [-z /2,z /2]q (z /2)|z +=0,z =0,(6)Γi =γ+,γ+γ5,σ+jγ5,W [-z /2,z /2]=P exp (-i g ・∫d sz μA μ(sz )),其中P +是强子动量的正分量;xP +是激活夸克动量的正分量,x =(x i +x f )/2,x i 和x f 分别是初、末态激活夸克携带强子正动量的比例;γ+、γ+γ5、σ+j γ5分别是矢量、轴矢量和张量的D irac 算符;q _(-z /2)和q (z /2)分别是在位置-z /2和z /2的共轭夸克和夸克的场算符;W ils on 连线W 保证了算符的规范不变性,积分从-z /2到z /2,A μ是胶子场.当取光锥规范时,Aμ=0,W ils on 连线等于1.算符O (x )是用光锥坐标表示的,光锥坐标定义为,υ±=υ0±υ3,υ=(υ1,υ2);夸克q 与其共轭夸克q _的间距,即虚光子吸收点和光子或介子的发射点的间距z 满足光锥条件:z 2=2z +z --z 2=0(1/Q 2),z +～M x B /Q 2,z -～1/M x B .夸克场算符的强子矩阵元为F i (x,ξ,t )=∫d z-/4πexp (xP +z -)〈p ′,s ′|q _(-z /2)Γi q (z /2)|p,s 〉,(7)其中p,s 和p ′,s ′分别表示初、末态强子的动量和自旋的极化.在弹性散射、D I S 和DEP 中,矩阵元分别对应:z =0,p ′≠p ;z ≠0,p ′=p 和z ≠0,p ′≠p 三种情况.z =0和z ≠0分别称为局部和非局部算符.矩阵元可用矢量、轴矢量和张量的基展开,在t w ist -2的层次上,Γi =γ+,F i (x,ξ,t,Q 2)=1/2P +[H (x,ξ,t )u_γ+u +E (x,ξ,t )u _(i σ+αΔα/2m )u ],(8)Γi =γ+γ5,F i (x,ξ,t,Q 2)=1/2P +[H _(x,ξ,t )u _γ+γ5u +E _(x,ξ,t )u _(γ5Δ+/2m )u ],(9)Γi =σ+j γ5,F i (x,ξ,t,Q 2) =-i /2P+[H T (x,ξ,t )u _σ+jγ5u + H _T (x,ξ,t )u _(ε+j αβΔαP β/m 2)u +E T (x,ξ,t )u _(ε+jαβΔαγβ/2m )u +E _T (x,ξ,t )u _(ε+jαβP αγβ/m )u ],(10)其中2P +=(p ′+p )+,2ξ=(x f -x i )=(p ′-p )+/P +,t =Δ2,Δ=p ′-p .H 、E 和H _、E _分别是自旋平均和螺旋性相关的手征偶(chiral even )的GP D,H T 、H _T 、E T 和E _T 分别是横向自旋相关的手征奇(chiralodd )的GP D,共8个GP D.它们是洛伦兹标量x 、ξ、t和Q 2的函数.在B j orken 极限,ξ=x B /(2-x B ).ξ和x 的范围在-1和1之间.-ξ≥x ≥-1、-ξ≤x ≤ξ和ξ≤x ≤1分别是反夸克区、中心区和夸克区,中心区的GP D 是强子内部存在介子的概率.对于胶子可写成类似的算符和GP D[22].DVCS 对夸克味量子数不灵敏,其反应截面∝Q-4.在DVMP 中,产生的赝标量介子选H _和E _及其对自旋灵敏,矢量介子选择H 和E 及其对自旋不灵敏,DVMP 的反应截面∝Q -6[23].(1)GP D 同P DF 和FF 的关系P DF 是GP D 在ξ=t =0的极限,即H (x,0,0)=f 1(x ),H _(x,0,0)=g 1(x ),H T (x,0,0)=h 1(x ),(11)其中f 1(x )、g 1(x )和h 1(x )分别是在非极化、纵向和横向极化的核子中存在相应极化的夸克具有x 的概率.实验上f 1(x )和g 1(x )已经测量了.由于h 1(x )是手征奇的,实验上很难测量,人们正期待德国GSI 未来极化质子和反质子的对撞实验.定义GP D 的Mellin 矩=∫d xxn -1GP D.它将非局部夸克和胶子的场算符转换成局部算符,便于用格点QC D 计算.核子电磁的FF 可表示成n =1的矩,F 1(t )=∑e q∫d xH q(x,ξt )F 2(t )=∑eq∫d xE q(x,ξ,t )(12)轴矢量和张量FF 同GP D 有类似的关系.在实光子的康普顿散射中,相应的FF 是GP D 的n =0的矩:R V (t )=∑e q ∫d x 1xH q(x,ξ,t ),R T (t )=∑e q∫d x 1xE q (x,ξ,t ),R A (t )=∑eq∫d x 1xH _q(x,ξ,t ),(13)所有的积分限从-1到+1.(2)季向东的求和规则当n =2时得到季向东[17]的求和规则:J q =12Δρq -L q =12∫1-1x d x[H q (x,ξ,0)+E q(x,ξ,0)],(14)其中J q、Δρq 和L q 分别是味q 夸克的总角动量、自旋和轨道角动量.通过测量H q 和E q能够计算出J q ,扣出从D I S 实验得到的Δρq ,可求出L q.最新的测量结果表明,胶子对核子自旋的贡献很小[24],所以L q对解答自旋危机是十分关键的.(3)冲击参数分布冲击参数分布I P D (i m pact para meter distribu 2ti on )是在ξ=0,Δ⊥≠0,Δ∥=0时的GP D 的富利叶变换[21].如自旋平均的I P Dh (x,b ⊥)=∫d 2Δexp (i b ⊥Δ⊥)H (x,ξ=0,Δ⊥)/(2π)2,(15)其中b ⊥是相对横动量中心R ⊥=ρi x i r i ⊥的距离,x k 和r k ⊥分别是第k 个部分子的纵向动量及其横向位置.8个GP D 对应的I P D 具有概率解释.在图5,从左至右,FF 是二维b ⊥的函数,P DF 是一维x 的函数,I P D 则将两者联立起来得到三维分布.测量核子的I P D 将使人们对核子结构有突破性的认识.图5　FF 、P DF 和I P D的关系图6　在非极化和横向X 方向极化质子中非极化夸克的I P D (4)I P D 的极化效应从I P D 得到了两种新的极化效应[25]:第一,在横向X 方向极化的核子中,味q 非极化的密度q X (x,b ⊥)不是轴对称的,并在Y 方向移位.它可写城如下形式:q X (x,b ⊥)=q (x,b ⊥)-5/5b Y [E q (x,b ⊥)]/2M 4π2,E q (x,b ⊥)=∫d 2Δ⊥E q (x,0,-Δ⊥)ex p (-i b ⊥Δ⊥)(16)其中q (x,b ⊥)是在非极化核子中的非极化夸克的I P D.在图6左侧的两个图分别是在非极化和X 方向极化的质子中,纵向动量x =0.5的u 夸克的I P D ,非极化时I P D 是轴对称的,极化时I P D 是非轴对称的,并在Y 方向移位.在图6右侧的两个图分别是d 夸克对应的I P D.d 夸克比u 夸克的变形大,两者的移位方向相反.平均移位和方向正比于该夸克的反常磁矩k q 及其符号,平均移位可表示成:d q Y =∫d x ∫d 2b ⊥q (x,b ⊥)b Y =1/(2M )∫d xE q (x,0,0)=k q /2M,(17)其中M 是核子的质量,d qY ～0.2f m.第二,在非极化的核子中,味q 的夸克横向极化的密度分布q i (x,b ⊥)=-s i e ij9/9b j [2H _q (x,b _)+E T (x,b ⊥)]/2M 4π2,(18)其中s 是夸克自旋的分量,i,j =X 或Y .q i (x,b ⊥)具有类似的变形.在文献[26]中,明确地给出了I P D 与横动量相关的时间反演不守恒的P DF 的关系:f ⊥1T ∴-E ′,h ⊥1∴-(E ′T +2H _″T ),h ⊥1T ∴2H _″T ,其中f ′=(5/5b 2)f,f ″=(5/5b 2)2f .I P D 极化效应说明了SS A起源于夸克密度分布变形和位移,它是强子自旋物理的焦点之一,并有待实验上的验证.(5)GP D 的测量方法实验上将采用两类遍举极化实验测量GP D.第一类利用高Q 2的弹性散射和共振跃迁、高-t 值的康普顿散射和高-t 值及低Q 2的电产生介子等反应得到相应的FF,它们同GP D 的关系见(12)和(13)式.反应概图分别表示在图7中的(a ),(b ),(c )和(d ).在图7(a )中,核子内的一个价夸克吸收入射的虚(实)光子后,立刻返回核子,并迅速地将其能动量传递给其他的价夸克,最后核子获得了能动量;在图7(b )中,高能动量的夸克返回核子,使核子处在激发态;在图7(c )和7(d )中,高能动量的夸克飞行距离z 后放射一个实光子或介子并返回核子.第一类测量将约束GP D 在高-t值和小b ⊥的行为.第二类是利用高Q 2和小-t 值的DVCS 和DV MP 等直接地测量GP D (见图4).图7　形状因子反应的概图2.2.2　大Q2物理大Q2物理的内容很多,主要是研究从非微扰向微扰的过渡.以μpG p E/G p M同Q2关系为例说明J lab的重要成果及大Q2的必要.在e↑p→ep′↑弹性极化迁移反应中,在单光子交换下,质子电磁形状因子的比G p E/G p M正比于反冲质子p′的横向和纵极化度P T和P L,G p E/G p M=-P T/P L・(E+E′)tan(θ/2)(2M)-1,(19)其中E和E′是入射和出射电子的能量,θ是入射和出射电子间的夹角.在图8中,绿点表示μpG p E/G p M,它随着Q2增大线性地减少,说明在质子内电荷和电流的分布不同[27,28],其中μp是质子的磁矩.过去通过非极化的Rosenbluth分离方法得到的μpG p E/G p M在1. 0附近,说明电荷和电流的分布相同.极化和非极化两种实验方法得出两种截然不同的结论,在实验和理论上产生了极大的反响.在实验上,JLab再次用Rosenbluth方法测量说明过去的结果是正确的.在理论上,Guichon等人[29]提出了除单光子交换外还有双光子交换,双光子交换部分对非极化的结果贡献大,对极化的贡献小.目前,实验上正在测量单-双光子交换在电子散射中的比例.现在需要知道Q2等于多少μpG p E/G p M才能达到微扰QCD的预言值?在12Ge V,Q2可达14Ge V2. 2.2.3　大x物理从图12对DVCS的运动学复盖范围能够看出,强流12Ge V为研究大x物理提供了新的机遇.根据大量非极化质子的实验数据,在x=0.5—1.0的区域,海夸克(sea quark)的贡献可以忽略,是一个纯的价夸克区.在该区,目的是研究价夸克和胶子的动力学,从而检验S U(6)对称的价夸克模型、S U(6)破缺、微扰QCD的强子螺旋性守恒等理论.另外,为高能强子-强子碰撞和寻找新粒子及新物理提供数据.过去在x>0.3的区域,由于价夸克的分布概率也很小,所以实验数据很少,即便有,数据的不确定度也很图8　GpE/GpM同Q2的关系大,不能鉴别理论模型.图9显示出中子纵向极化不对称A n1同x的关系,绿点是6Ge V的数据,红点是A 厅计划测量的数据[30].图9　A n1同x的关系2.3　原子核物理原子核物理分为研究原子核本身性质和将原子核作为研究QCD的实验室等两个方面.前者研究强子在核介质中的改性,核子-介子自由度在什么标度是可靠的,核子-介子自由度如何过渡到夸克-胶子自由度,核子-核子相互作用中的长程(>2f m)张量力和短程排斥力的QCD基础等;后者研究色透明性,夸克强子化的时空特性,高密度夸克分布的性质等.图10表示出在原子核内两个核子重迭的概率很高,在重叠区域核子密度达到～5—10倍于正常值,它为研究高密度和夸克部分去禁闭及中子星的性质提供了难得的条件.实验上通过测量x >1的P DF 能够认识高密度的性质.图10　在原子核内两个核子重迭2.4　检验对称性和寻找新的标准模型JLab 将通过Pri m akoff 效应测量轻的赝标量介子π0,η,η′→γγ的衰变宽度和跃迁形状因子,研究手征自发破缺和手征反常[31].世界上,通过极高能的反应寻找新粒子及新相互作用力,和在低能比较S M 预言的参数与测量值的偏离等两种方法检验S M 和寻求新物理.JLab 将通过低能宇称不守恒的电弱相干散射测量质子的弱荷,以及电弱混合角sin 2θW与S M 预言相比较.3　美国托马斯杰斐逊国家加速器装置(简称JLab )的状况 JLab 属于美国能源部,由美国东南大学研究协会管理.它是NS AC 在1979年的LRP 中优先推荐建造的占空因子为100%、能量为4Ge V 的电子加速器,于1987年在V iginia Ne wport Ne ws 建造,它是工作在液氦温度的超导铌射频共振腔加速电子的直线加速器,该加速器于1994年夏运行,在1996年电子能量提高到6Ge V.在2010年电子能量将达到12Ge V ,以后能量提高到24Ge V 也是可能的.目前,JLab 的CE 2BAF 是世界上最大的超导射频直线加速器,它的束流品质超过了其他连续电子束加速器.除初级电子束外,通过纵向极化电子在重金属上的韧致辐射和在薄片晶体上的相干韧致辐射,分别产生圆极化和线极化的实光子.韧致辐射后的电子在磁偶极场的作用下偏转到电子焦面探测器,电子信号与光子反应产物信号符合,从电子能量能够确定对应光子的能量,这种光子称为标记光子.在20世纪90年代初,世界上出现了连续束电子加速器,如德国Mainz 大学的0.85Ge V 的MAM I (Mainz M icr otr on ),美国M I T 大学的1.1Ge V 的Bates 、德国Bonn 大学的3.5Ge V 的E LS A (Electr on Stretcher Accelerat or )及荷兰N I KHEF (Nati onal I nsti 2tute f or Nuclear Physics and H igh -Energy Physics )的0.9Ge V 的AmPS (Am sterda m Pulse Stretcher ).除MA 2M I 是电子感应方式实现连续束外,其余都是贮存拉长环(st orage /stretcher )方式.目前,N I KHEF 已关闭,Bates 于2005年结束了核物理计划,MAM I 的能量将提高到1.5Ge V ,ELS A 还在运行.3.1　加速器6Ge V 和未来12Ge V CE BAF 的结构和实验厅的布局见图11.经预直线加速器,能量为45Me V 的电子注入到80m 长的超导直线加速段,能量达到0.56Ge V ,经弧形轨道arc 进入另一个80m 的超导直线加速段,能量达1.12Ge V.在2个直线加速段回转5次,电子能量达到5.6Ge V.在A 、B 、C 3个实验厅能同时工作,并各自可以工作在不同的电子能量,能量分别是1.1、2.2、3.3、4.4和5.6Ge V.其束流品质为:平均束流强度I =200μA,发散度ε～2×10-9m ・rad,能散度σE /E =2×10-5.用极化的激光照射拉伸或非拉伸的Ga A s 光阴极,通过光电效应产生纵向极化度P e=70%—85%的电子.光子的能量及其分辨率分别为E γ<6GeV 和ΔE γ/E γ=10-3.电子的纵向极化度利用莫特(Mott )、Moller 和康普顿散射极化仪测量.图11　JLab 加速器的结构和实验厅的布局美国核科学家在建造4Ge V 时,就认识到其能量是低的,因而在直线加速段的隧道内留有一定的空间.刚开始运行时,即1994年,就酝酿提高能量的物理和需要的设备.在2001年2月,形成了之《驱动。

电子束偏转实验导言电子束偏转实验是物理学中的一项基础实验，旨在研究电子在磁场中的运动规律和电磁力的作用。

电子束偏转实验被广泛应用于电子学、粒子物理学、电磁学和各种仪器中，对于理解和应用电子技术和磁场技术有着重要的意义。

本文将详细介绍电子束偏转实验的相关定律、实验准备、实验过程，以及实验的应用和其他专业性角度。

一、相关定律1. 洛伦兹力定律洛伦兹力定律是描述带电粒子在磁场中受力情况的重要定律。

它指出一个带电粒子在磁场中所受的洛伦兹力的大小与粒子的电荷量、速度以及磁场的强度和方向有关。

洛伦兹力的方向垂直于带电粒子的速度方向和磁场的方向，符合右手定则。

2. 勒让德L动力学方程勒让德L动力学方程是描述电子在磁场中偏转运动的方程。

它基于能量守恒原理和动量守恒原理，将洛伦兹力的作用带入到粒子的动力学方程中，从而得到了描述粒子在磁场中运动的方程。

二、实验准备1. 实验仪器电子束偏转实验通常需要使用下列仪器：电子火花管、电源、磁场系统、测量仪器（例如数字示波器、电流表、电压表等）。

2. 实验材料进行电子束偏转实验时，需要使用一定数量的电子束和适当的磁场强度，通常使用金属或合金的薄膜来产生电子束。

三、实验过程1. 实验搭建首先，搭建好实验装置。

将电子火花管放置在稳定的支架上，并通过电源给电子火花管提供电压。

在电子火花管周围设置磁场系统，调整磁场强度和方向，以使得电子束在磁场中偏转。

2. 实验测试接下来，通过控制电子火花管的电压和磁场系统的参数，进行实验测试。

可以通过改变电子火花管的电压来改变电子束的速度，通过改变磁场强度和方向来观察电子束的偏转情况。

3. 数据记录与分析在实验过程中，需要记录实验参数和观察结果。

可以使用测量仪器来测量电子束的速度、偏转角度、磁场强度等数据。

通过对数据的分析和处理，可以得到电子在磁场中的运动规律，并验证相关定律。

四、实验应用和其他专业性角度1. 应用电子束偏转实验在电子学和粒子物理学中有着广泛的应用。

简述等离子约束的原理等离子束是一种由高温等离子体中的离子组成的带电粒子束，可以用来进行多种应用，如等离子体物理研究、材料表面处理、材料合成和纳米加工等。

它广泛应用于航空航天、能源、材料科学、生物医学等领域。

等离子束的原理可以简单描述为：通过加热和电离气体，使气体中的电子脱离原子核，形成一种激发态的气体，即等离子体。

然后，通过外加电场或磁场，将等离子体中的带电粒子束流进行束缚和加速，形成等离子束。

等离子束可由离子束加速器或等离子体设备产生。

等离子束加速器是一种利用高电压和强磁场加速带电粒子束的设备。

它由束流发射、束流传输、束流聚焦、束流诊断和束流打靶等部分组成。

首先，通过离子源的电离和加速过程产生离子束。

离子源可以采用自然气体离子源或金属离子源。

自然气体离子源是将气体加热到高温，通过压力差或离子源逸出口将离子束引出。

金属离子源则是在金属基底上加热和电离气体，将产生的离子束引出。

接下来，将离子束传输到加速装置中。

传输过程中，一般需要进行束流调整和聚焦，以保持束流的稳定性和高度。

然后，离子束进入加速器。

加速器一般采用直线加速器、环形加速器或引线阵列加速器等结构。

加速器通过施加电场或磁场，使离子束得到加速，并控制离子束的能量和流强。

在加速过程中，可以对离子束进行诊断和控制。

常用的诊断方法有电子倍增器和电子束流诊断仪等。

通过诊断装置可以测量离子束的形状、能量和流强等参数，以实现对束流的控制和优化。

最后，将经过加速的离子束打靶。

离子束打靶是将离子束与固体材料相互作用，实现材料的加工、改性或分析等应用。

离子束打靶的效果取决于离子束的能量和流强，以及材料的性质和结构等。

除了离子束加速器，等离子体设备也可以产生等离子束。

等离子体设备通过加热和电离气体，形成等离子体，然后通过外加电场或磁场，控制等离子体中的离子运动，形成等离子束。

等离子体设备常用于等离子体物理研究和等离子体工程应用。

总的来说，等离子束的原理是通过加热和电离气体，形成等离子体，然后通过外加电场或磁场加速和控制等离子体中的离子运动，形成等离子束。

电子束示波器综合实验仪实验指导书实验一电子束的控制、加速与静电聚焦截面细窄的电子流称为电子束。

产生电子束的器件一般均为要求有10-6mmHg以上的真空，以免电子与空气分子碰撞而散射.产生电子束的器件称为阴极射线管，简写为CRT。

现代电子发射技术和高真空技术制造了各种CR T器件，例如电视显像管、雷达扫描显示屏、示波管等。

以这种真空器件为核心，配合各种电子电路组成一系列示波、图像显示设备。

学习掌握电子在电场、磁场中的运动规律及实验方法是今后学习示波电测技术必备的基础。

【实验目的】1.观察电子束的控制、加速观像，测量不同加速电压下电子束的截止电压。

2.学习电子枪的结构，了解各极电压及电压分配情况。

实测各极电压。

3.观察聚焦电压V1和辅助聚焦V2对静电场聚焦的影响，实测不同加速电压下的聚焦、辅助聚焦电压。

【仪器设备】WS-JD-DZS型电子束示波器综合实验仪、数字万用表【实验原理】一、示波管简介示波管分为电子枪、偏转板和荧光屏三部份（见图1-1）1.电子枪：由加热电极（灯丝极）F、阴极K、栅极（调制极）G、加速电极 A2’第一阳极A1（聚焦极）和第二阳极A2（辅助聚焦极）组成。

A2’与A2内部相连。

2.偏转板：DX水平偏转X、X’一对；DY垂直偏转Y、Y’一对；3.荧光屏：是在示波管玻璃屏内表面涂敷荧光物质膜层构成；外部用玻璃封装，抽真空并加有吸气剂。

本实验所用示波管为8SJ31J型。

灯丝F（加热电极）通以电流后发热（电压6.3V），用于加热阴极K。

阴极是一个表面涂有氧化物（钡、锶的氧化物）的金属圆筒，经灯丝加热后，温度上升，一部分电子脱离圆筒表面，变成自由电子发射，自由电子在外电场作用下形成电子流。

栅极G为顶端带孔（Ø1mm）的圆筒，套装在阴极之外，其电位调在比阴极低的水平上，对阴极发射电子起控制作用。

调节栅极电位能控制射向荧光屏的电子流密度。

电子流密度大，电子轰击荧光屏的总功率大，荧光屏上的光点被激发就越亮。

材料二次电子发射特性及测量方法研究作者：王思展来源：《科技与创新》2019年第08期摘要：当材料表面受到具有初始动能的粒子撞击时，会被激发出二次电子。

二次电子发射特性广泛应用于各个领域，而在航天领域，二次电子发射系数与在地球同步轨道运行的航天器表面带电水平息息相关。

为了更好地计算航天器表面带电电位，需要准确获取航天器表面材料的二次电子发射特性，因而二次电子发射特性研究以及二次电子发射系数测量显得尤为重要。

基于二次电子从产生之时所经历的输运、逃逸等物理过程对二次电子发射理论进行了整理，并对目前国内外二次电子发射系数的测量方法及测量手段进行了综述。

关键词：二次电子发射特性;二次电子发射系数;航天器表面带电;二次电子产额中图分类号：0462.2文献标识码：ADOI： 10.15913/ki.kjycx.2019.08.014当有初始能量的粒子（电子或离子等）撞击到材料表面时，会从材料表面激发出电子，如果到达材料表面的电子所具有的能量足以克服材料表面的能量势垒，便可从材料表面逃逸出来，即二次电子发射现象，逃逸出来的电子称为二次电子，如图1所示。

在研究中约定，从材料表面逃逸出来的电子中，能量在50 eV以下的电子称为（真）二次电子，能量在50 eV以上的电子称为背散射电子。

二次电子发射特性可由二次电子发射系数和二次电子能谱来表征。

二次电子发射系数定义为从材料出射的电子数（流）与入射到材料表面的电子数（流）之间的比值。

二次电子发射现象自19世纪末期由Campell发现的几十年以来，在理論研究方面及实验测量方面都有了突飞猛进的发展，而二次电子发射现象在多个领域，包括扫描电子显微镜、俄歇能谱仪等都得到了广泛的应用[1]。

在航天领域，二次电子发射系数不仅与航天器表面充电电位大小密切相关，同时还与航天微波器件的微放电效应有关[2-5]。

因此，有关二次电子发射现象的理论研究和二次电子发射系数的测量手段显得尤为重要。

1 二次电子发射现象理论研究二次电子发射现象最初由Campell发现，后来由Austin和Strake进行了较为深入的研究[6]，Bruining于1954年对当时的二次电子理论研究成果以及相关的测量手段进行了阶段性的总结[7]。

在CRT彩电中，均设有ABL（自动亮度限制）或ACL（自动对比度限制）电路，对束电流进行限制。

该电路并不复杂，但在电路中有着重要的地位。

检修时如果不得要领的话，易事倍功半，甚至造成误判，下面详细分析ABL电路的工作原理和基本的故障判断方法，并重点介绍开环检修方法。

一、束电流控制电路原理ABL或ACL束电流控制电路是一个负反馈电路，可以在一定的范围内对显像管的电流进行限制调整，当屏幕过亮使束电流超出额定值时，该电路动作，用取得的束流误差电压去控制亮度通道的直流电平，使显像管的三枪阴极电位上升，则束电流下降到正常的范围内。

当束电流超过ABL电路限制范围时，往往会进一步启动保护电路实现过流保护。

显然，当这部分电路器件不良引起错误控制时，就有可能导致显像管的三枪阴极电位升高，从而出现无光栅、图像暗或者亮度过高甚至自动关机的现象。

早期彩电的束电流控制一般采用将取样得到的束电流误差电压与亮度控制端电压相比较，若后者低于前者时，则电路起控，该电路称为ABL电路：若束电流误差电压与对比度控制端电压比较，则称为ACL 控制。

长虹C2165（TA机芯）彩电的ABL电路如图1所示，TA7698④脚为亮度控制端，低亮度时，束电流较小，图中C点的电压较高，VD241截止，束电流电路不动作。

当束电流增大时，R425、R420、R421上的电压增大，导致B点的电位下降，当B点的电位低于A点电位0.7V时，VD241导通，则TA7698④脚电位下降，IC内部的黑电平钳位电路改变（23）脚Y信号的直流电平，即通过提高显像管的阴极电位使束电流得以降低，完成自动亮度控制的目的。

许多彩电的信号处理芯片均设有专门的引脚作为束电流控制脚，控制原理基本相同。

长虹62536型彩电（CN－9机芯）束电流控制电路如图2所示。

TB1238N （21）脚为束电流控制脚，与外部的电路共同构成束电流控制电路，其控制原理如下：当束电流在正常范围内时，（21）脚的电压约为5.9V，D204正端电压也为5.9V，而其负端电压随图像内容变化，正常时D204截止，束电流电路不动作。