3.1　电子束原理

电子束等离子体是将一个电子能量在10keV～2MeV范围内的圆柱或平面等离子体束注射到中性气体中形成的，其中光亮的电子束直接从阴极表面发出，而周围暗淡的伴生等离子体是由散射束电子的初级和次级电离引起的微弱放电形成的。电子束等离子体的一般示意图如图3-1（a）所示，一个细圆柱电子束可以通过位于高真空室中的电子枪来形成，接着电子束通过一个特殊的窗口注入一个充满气体的放电室，其中高能电子产生等离子体，并通过不同的机制将它们的能量转移到气体中，这一过程取决于压力、束密度、电子能量和等离子体参数。

用于产生电子束等离子体的电子束注射器通常使用直接静电加速器。为了产生能量不超过200～300keV的电子束，注射器可以基于带有热粒子、等离子体或者场发射阴极的电子枪，能量通过特殊的AC-DC转化器提供。电子束在真空中形成，然后可以穿过进气系统（窗）传送到稠密气体室中，产生等离子体。这些进气系统窗通常使用两种方法中的一种来设计，分别为箔窗和具有差分抽气的锁式系统。图3-1（b）和图3-1（c）给出了两种进气系统的一般结构图。连续且集中的电子束箔窗的并发现象与高的热通量、电子能量低于300keV的箔厚度和等离子体化学系统中气体的化学攻击有关。

图3-1　电子束产生器

在电子束污染处理工艺中，高能电子束渗透进入污染气体，直接分解和电离气体分子，产生大量二次电子，新产生的二次电子流加速气体分子电离和分解，形成大面积等离子体，从而加速多种污染分子的分解进程。电子与烟气分子通过弹性散射、非弹性碰撞和轫致辐射三种作用形式，损失能量、发生散射而改变方向。在稠密气体中由于中性粒子的交互作用导致的快速电子束沿着z轴的总的能量损失可以简单表达为：

　　（3-1）

式中，n0是中性气体密度；E是电子能量；L（E）是电子能量损失函数。该式在不同气体和混合物中经常使用。电离速率可以使用快速电子能量损失dE/dz表示为：

　　（3-2）

式中，Ui是电子-离子对形成的能耗，即电离能耗，它是描述电子束产生等离子体的重要参数，电子束能量在0.01～1MeV的范围时，不同中性气体的电离能耗几乎恒定不变；jb是电子束提供的单位时间单位体积内的电流密度。