电子束空间极限电流的非线性理论研究

从电子束一维稳态传输的电势非线性Poisson方程出发,推导了圆柱波导内实心束和环形束空间极限电流与电子入射电势的依赖关系,给出了数值求解方法和解的特征,分析比较了数值计算与现有解析公式及粒子模拟的结果.考虑电子的横向运动,对数值方法进行了二维修正,计算结果与粒子模拟结果具有很好的一致性.说明利用数值方法计算电子电势非线性微分方程能够得到更精确的电子束在圆柱波导内的空间极限电流;另外,对其他形状的波导,尤其是难以得到解析式的情况,根据实际几何结构设置边界条件,数值方法可以方便地给出束流传输特性,对设计新型结构的高功率微波器件提供理论指导. 关键词： 相对论电子束 圆柱波导 空间极限电流 束流传输     

径向线内电子束的空间极限电流

为了对径向线内电子束的空间极限电流及相关物理参量进行分析, 在径向方向无穷长与束流密度轴向均匀的假设条件下, 对电势满足的线性泊松方程进行了解析求解, 得到了空间极限电流的解析表达式, 接下来对束流密度轴向非均匀分析条件下电势满足的非线性方程进行了数值求解, 并与解析结果进行了对比。研究表明径向电子束具有较高的空间极限电流且当束流接近于极限电流传输时, 束密度的非均匀性明显增加, 相关结论可以为径向高功率微波器件的设计提供指导。     

新型反馈式轴向同轴虚阴极振荡器

从电子束一维稳态传输的电势非线性Poisson方程出发,推导了圆柱波导内实心束和环形束空间极限电流与电子入射电势的依赖关系,给出了数值求解方法和解的特征,分析比较了数值计算与现有解析公式及粒子模拟的结果.考虑电子的横向运动,对数值方法进行了二维修正,计算结果与粒子模拟结果具有很好的一致性.说明利用数值方法计算电子电势非线性微分方程能够得到更精确的电子束在圆柱波导内的空间极限电流;另外,对其他形状的波导,尤其是难以得到解析式的情况,根据实际几何结构设置边界条件,数值方法可以方便地给出束流传输特性,对设计新型结构的高功率微波器件提供理论指导.     

新型反馈式轴向同轴虚阴极振荡器

提出一种利用低磁场导引环形电子束在同轴波导内轴向激励虚阴极振荡的新型虚阴极振荡器.利用反馈式结构,使虚阴极在由反馈环、阳极箔和同轴波导构成的高品质因子准谐振腔内形成.作用腔内环形电子束激励同轴波导TM₀₁模式,在相对低品质因子的同轴提取区转化为TEM主模输出.用25维KARAT粒子模拟软件研究得到束波功率转换效率12%,输出微波平均27 GW,中心频率38 GHz. 关键词： 环形电子束 轴向导引磁场 同轴波导 反馈环     

层流平衡相对论电子束束流特性的数值计算

通过对层流平衡相对论电子的运动微分方程组进行数值求解,得到正则角动量在pθ=0,pθ=const.和pθ∝r2三种情况下,束流的传输特性.针对pθ=0的相对论实心电子束,利用数值求解得到了与解析方法一致的结果,从而验证了数值方法的合理性;针对无法用解析方法求解的pθ=0环行电子束、pθ=const.和pθ∝r2的情况,利用数值方法得到了束流和空间极限电流关于波导、电子束结构和二极管电压等参数的变化规律及对轴向导引磁场的要求.计算结果表明:当相对论电子束以层流平衡态传输时,环行束较实心束具有更高的空间极限电流和更低的轴向导引磁场,且当阴极发射面与导引磁场的磁场线垂直时,维持电子束层流平衡所需的轴向导引磁场最低;电子束在有限磁场导引下以层流平衡态传输时,空间极限电流明显大于无限大磁场导引下一维近似的情况.利用数值方法对层流平衡相对论电子束进行理论研究,更全面地揭示了电子束在正则角动量满足不同条件时的束流特性,为设计新型结构的高功率微波器件提供理论参考.     

一维漂移空间内强流电子束的稳态传输特性

在计算了一维平板和同轴结构漂移空间的空间电荷限制流的基础上,对其中超过空间电荷限制流状态下强流电子束的稳态传输特性进行了理论分析.分析给出了确定束流稳定传输时形成虚阴极的位置和虚阴极处电子束透过率的表达式,求解了束流电子在漂移空间内的渡越时间,平板结构漂移空间内得到了通用的解析结果,同轴结构漂移空间内得到了适合一定结构参数条件下的近似结果. 关键词： 强流电子束 虚阴极 一维漂移空间 传输特性     

Ku波段同轴渡越辐射振荡器的数值模拟

当传统高功率微波器件向高频段拓展时,器件尺寸的缩小将造成空间极限电流及功率容量的减小。基于此提出一种Ku波段同轴结构的渡越辐射振荡器。通过引入同轴结构,器件内部的空间极限电流及功率容量得到了有效提升。调制腔采用三谐振腔结构,与两腔结构相比,调制电子束的能力明显增强。采用高频场软件对调制腔和输出腔进行了冷腔分析。利用2.5维粒子模拟软件对Ku波段同轴渡越辐射振荡器进行了数值模拟,在导引磁场0.6 T、二极管电压392 kV、电流15.2 kA的条件下,在中心频率为14.184 GHz处获得1.2 GW的高功率微波输出,功率转换效率达20%。     

新型高功率径向强流速调管振荡器

 提出了一种新结构的高功率径向强流速调管振荡器,该器件利用折叠式同轴谐振腔的微波场与接近空间电荷限制电流的径向电子束强烈相互作用产生高功率微波。首先对这种器件的实现机理进行了初步的分析，提出了有间隙电压情况时的径向同轴间隙的空间电荷限制电流1维近似估计模型。分析表明：对于电子束直流接近但小于直流空间限制电流的径向速调管，当有调制间隙电压时，空间限制电流要小于无调制间隙电压情况下的直流空间限制电流，径向强流电子束电流接近和超过空间电荷限制电流时会出现强烈的调制。然后用PIC程序对其特性进行了粒子模拟，在二极管输入电压500 kV、电子束电流为30 kA条件下，最终得到了峰值功率6 GW、频率1.3 GHz的微波输出。     

同轴波导内金属支撑杆的散射特性研究

 对同轴波导内传输TEM模时金属支撑杆的散射特性进行了研究。通过将同轴波导等效为窄边是磁壁的矩形波导,建立了金属支撑杆的散射场计算模型,用积分方程法得到了散射场的计算公式,其计算结果与有限元方法仿真结果吻合良好。分析计算和实验表明：当同轴波导传输TEM模时,n根角向均匀分布的支撑杆在同轴波导内激励起一系列TE(mn)1模式;当n大于同轴波导截面平均周长与波长之比时,金属杆所激励的高阶模截止,输出和反射模式仅为TEM模,其反射系数随支撑杆根数或支撑杆半径的增加而增大,随频率的升高而减小。     

外开槽同轴波导大轨道回旋自谐振脉塞放大器

 运用大轨道电子束,对外开槽同轴波导回旋自谐振放大器进行了线性动力学理论分析和非线性自洽模型模拟。由线性动力学理论分析和非线性模拟得到的结果在线性增长部分吻合得很好。为了有效抑制绝对不稳定性,对电子束流的选择进行了讨论。计算结果表明：对于电压为700 kV, 电流为100 A, 电子束纵横向速度比为0.8的大轨道电子束, TE₅₁外开槽同轴波导回旋自谐振脉塞放大器的峰值功率和峰值效率分别可以达到6.27 MW和8.96%。     

箔聚焦强流相对论环形束在同轴波导中的传输

 结合箔聚焦和静电线聚焦的特点,对箔聚焦强流相对论环形电子束在同轴波导中的传输进行了研究。通过数值求解电势满足的泊松方程,得到电势、电场分布及系统的空间电荷限制流,并根据电子的运动方程得到包络电子的平衡条件及其运动轨迹。     

相对论速调管三轴提取腔的分析与设计

分析了同轴漂移管中电子束的空间电荷限制流和能量分布，为了降低S波段相对论速调管放大器(RKA)中电子束空间电荷效应及势能，提高RKA的束波转换效率，提出了三轴结构的输出腔，理论分析RKA的束波转换效率达到36%，比同轴提取腔的束波转换效率提高了9个百分点. 采用数值计算程序设计了三轴提取腔，粒子模拟了S波段RKA的微波提取，取得了与理论分析一致的结果. 采用590kV/5kA的空心电子束，经过预调制腔和群聚腔等两个腔的调制后，采用三轴提取腔提取微波，得到了约1.0GW的微波功率，效率35%. 理论研究结果与实验结果吻合得较好. 关键词： 相对论速调管放大器 三轴提取腔 空间电荷限制流     

同轴慢波结构相对论高功率微波产生器理论分析

 推导了同轴波导的空间电荷限制流，其值大于圆波导的空间电荷限制流。因此在阴极电势和束流相等的情况下，同轴波导中的束流具有更高的动能，同轴器件有可能获得更高的微波转换效率。理论推导出同轴慢波结构中考虑束流空间电荷影响的色散方程，利用Matlab进行了编程求解。不考虑束流空间电荷影响时，编程计算结果与Superfish模拟结果一致。由考虑束流空间电荷影响的色散方程数值计算结果，可知文献中提出的同轴慢波结构相对论高功率微波产生器工作在准TEM模的π模，频率为7.67 GHz，峰值时间增长率较高，电子束损失的能量与其初始能量之比为34%。这些结果均与文献中的数值模拟结果一致。同时理论分析说明该种器件无论在能量转换效率，还是在产生微波脉冲的上升时间上均具有优势。     

Coaxial configuration of the dielectric Cherenkov maser

The linearized Lorentz force, continuity equation, and Maxwell's equations are used to calculate the system dispersion relation for a coaxial configuration of the dielectric Cherenkov maser. The system consists of two coaxial conductors lined with dielectric and an annular relativistic electron beam, which propagates between the two liners. The dispersion relation for the beam and dielectric-lined coaxial waveguide structure and the no-beam system that describes the dependence of the generated frequency on the coaxial waveguide parameters are presented. Using the linearized dispersion relation, the growth rate for the beam-TM_0n waveguide mode instability is calculated in the strong-coupling tenuous beam limit     

S波段相对论速调管放大器同轴输出腔的数值模拟

 介绍了S波段强流相对论速调管放大器（RKA）同轴输出腔内束波转换效率和腔主要参数的计算、微波提取的粒子模拟和优化以及实验。模拟计算时，采用单间隙的同轴输出腔，束压580 kV、束流4 kA的环行电子束，基波调制深度为80%，利用3维粒子程序得到约500 MW的微波输出功率，效率21.5%。将该模拟结果应用于实验的设计，实验中采用束压550 kV、束流4 kA的电子束得到功率500 MW、脉宽120 ns的输出微波，束波转换效率22.7%，实验结果与模拟结果吻合较好。     

Space-charge limiting currents for magnetically focused intense relativistic electron beams

The self-consistent differential equations, which describe a laminar-flow equilibrium state in a magnetically focused intense relativistic electron beam propagating inside a conducting waveguide, are presented. The canonical angular momentum, $p_{\theta }$, defined under the conditions at the source, uniquely determines the possible solutions of these equations. By numerically solving these equations, the space-charge limited current and the externally applied magnetic field are obtained in a solid beam and a hollow beam in two cases of $p_{\theta }=0$ (magnetically shielded source) and $p_{\theta }=$~const. (immersed source) separately. It is shown that the hollow beam is more beneficial to the propagation of the intense relativistic beam through a drift tube than the solid beam.     

Dielectric Cherenkov masers as powerful amplifiers with superwidebandwidth

Here, we explore an important feature of dielectric Cherenkov masers (DCM's) that distinguishes them from other relativistic microwave devices. Most previous DCM experiments were carried out with rather thin dielectric liners or films. In this paper we show, however, that when the coefficient of waveguide filling with dielectric is not small, the beam-wave coupling doesn't depend on frequency, and, hence, superwide bandwidth is possible. The value of bandwidth is also determined by the current and velocity of the electron beam. DCM dispersion relations are examined both analytically, in the simplest model of total waveguide filling, and numerically, for a hollow beam in a waveguide with a dielectric liner. We show that a maximum value of bandwidth is achieved at a certain optimal value of the beam current for fixed velocity (and vice versa). Numerical results demonstrate a -3 db bandwidth of 40-50% at a peak gain of 40 dB for electron energies of 300-600 keV and beam currents of 1-10 kA     

Limit currents of a relativistic electron beam in a drift chamber with a coaxial cross section

Formulas for the limit vacuum and Pears currents of a thin hollow relativistic electron beam propagating in a cylindrical drift chamber of the coaxial cross section are derived.     

填充等离子体的介质同轴波导中的切伦科夫辐射

 利用自洽线性场理论，导出了薄环形相对论电子注通过填充等离子体的介质同轴波导中的注波互作用色散方程，得到了注波互作用产生切伦科夫辐射的同步条件和波增长率。分析了填充等离子体后的波与电子注之间的能量交换及等离子体密度对色散特性、波增长率和注波能量交换的影响。分析结果表明：切伦科夫辐射是由沿介质同轴波导传播的慢波与沿薄环形相对论电子注传播的负能空间电荷波耦合所致，且其耦合强度与电子注的密度成正比；输出频率和波增长率随着填充等离子体密度的增大而提高；保持一定的输出频率，增大电子注的束流可得到高的微波输出功率。