相对论电子束在离子通道中的聚焦与输运

 基于单粒子理论,描述了相对论电子束在离子通道中的聚焦输运过程,讨论了离子-电子密度比、相对论因子、束加速电压和入射电流等系统参数对电子束的聚焦半径、纵向聚焦位置的影响。研究表明,离子通道对电子束具有强烈的聚焦效应,束流在离子通道内的传输是类周期波动传输,随传输距离增加,聚焦点处的半径逐渐增加,束流的波动幅度逐渐减小。选择适当的系统参数,可调节束聚焦点位置和聚焦点半径的大小,实现电子束的长距传输并且减少电子束的耗散。     

电子束长程传输中离子通道的振荡特性研究

离子通道可以有效抑制电子束在等离子体环境内传输过程中的径向扩散,已有工作研究了离子通道对电子束的影响,但离子通道建立过程和暂态特性研究则更有助于理解和利用离子通道在电子束长程传输中的作用。本文利用PIC方法对离子通道的时空分布进行二维模拟,并基于单粒子理论推导出描述离子通道振荡的解析模型,对上述两种模型的结果相互校验。上述模型的计算结果表明,在长程传输过程中,相对论电子束在等离子体内部建立的离子通道是持续周期振荡的,电子束密度、电子束初始半径以及环境等离子体密度都会对离子通道的振荡规律产生影响,针对不同的等离子体环境选择合适的电子束参数可以有效提高离子通道的稳定性,进而提升传输过程中电子束的束流质量。     

填充等离子体的介质契伦柯夫脉塞

 利用自洽线性场理论，普遍讨论了电子在扰动场作用下的三维扰动，进而分别对薄环形相对论电子注和实心相对论电子注在填充等离子体的介质筒慢波波导中激励的契伦柯夫辐射进行了详细的分析，导出了其色散方程和波增长率。分析表明注波互作用是由于慢波系统中的波导模与电子注模耦合所致，填充等离子体后能大大提高注波互作用效率，并详细计算和分析了等离子体密度和电子注半径对波增长率的影响。     

自洽处理对关联的RMF+SLAP方法对Sn核性质的研究

在自洽的相对论平均场理论框架下, 用严格保持粒子数守恒的类壳模型方法, 即RMF+SLAP方法,研究了Sn同位素链的性质并与没有考虑对关联对平均势场影响的非自洽计算进行了比较.结果表明, 自洽的RMF+SLAP方法能够正确给出原子核形变随平均对力强度的变化, 给出Sn同位素链的每核子结合能, 单中子与双中子分离能, 四极形变随质量数A的变化等的很好描述.表明了研究原子核性质时, 正确和自洽处理对关联以及堵塞效应的重要性.     

相对论返波管振荡器齿状阴极

研究了一种齿状阴极的电子束产生传输过程以及对相对论返波管振荡器产生高功率微波的影响。基于SINUS881加速器,利用束流轰击金属靶观测齿状阴极产生电子束在不同轴向位置上的角向分布,并开展了基于环形阴极和齿状阴极的X波段相对论返波管振荡器的实验研究。对不同齿数及尺寸对电子束流特性、器件输出微波功率和脉冲宽度的影响进行了分析。实验结果表明:当阴极的齿数增加到一定数量时,电子束的横向运动使得电子束在径向逐渐趋于分布均匀;与均匀环形阴极的打靶结果近似,此时,电子束对于相对论返波管振荡器产生微波的功率和脉宽影响不大。     

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。     

离子通道中相对论电子注的切连科夫辐射

对入射等离子体的相对论电子注(REB)在离子通道中可能产生切连科夫(Cherenkov)辐射的问题进行了论证与研究.利用线性理论分析了离子背景下的注-波互作用关系，导出了系统的色散方程与同步辐射条件.结果表明，系统的电磁不稳定性是由离子通道中TM模与电子注模通过电子注耦合所致，其微观机理是离子对电子注的聚焦.对处于运动等离子体状态下的离子-注系统进行了严格地理论分析，获得了通道内辐射波的频偏与波增长率公式，并通过数值模拟计算讨论了系统有关参数对它们的影响. 关键词： 离子通道 等离子体 切连科夫辐射     

非局域Sun-Guo-Grant方程的自洽模耦合理论

通过选取具有正确渐近行为的标度函数形式，将自洽的模耦合理论推广应用到对非局域的Sun-Guo-Grant方程的动力学标度性质的研究中.通过分析得到，在强耦合区基底维数d=1,2的情况下，动力学指数z随非局域参数ρ的变化关系.将这一结果与动力学重正化群理论和直接标度分析得到的结果进行了对比. 关键词： 表面粗糙生长动力学 动力学标度 自洽模耦合理论     

相对论电子束在动态加载等离子体中的自聚焦传输

为了进一步研究相对论电子束-离子通道辐射实验和理论的需要, 研究了相对论电子束入射中性气体以及通过碰撞电离动态加载等离子体实现对高能束流的自聚焦传输过程PIC(particle in cell) 模拟发现, 电子束电离出的离子背景能够实现对电子束的聚焦传输. 但是离子背景横向和纵向的不均匀性对束流的传输特性有显著影响. 在此基础之上, 提出了电子束在横向不均匀离子背景中传输的理论模型, 给出了束流的自聚焦条件.数值计算结果表明, 横向不均匀性会导致电子束的混合相位传输, 使得焦点附近内层电子可能跑到电子束外而被散焦损失, 这与PIC模拟的结果相符. 此外, PIC模拟还发现, 由于电子束的自聚焦, 在焦点处将电离出更多的离子而引起纵向不均匀性, 纵向不均匀性使得碰撞后的低能电子被俘获, 俘获电子效应会大幅降低电子束的传输效率. 但是俘获电子在纵向呈准周期分布, 对传输电子起到静电Wiggler场的作用, 可能实现静电Wiggler场的动态加载. 研究结果对于进一步研究电子束-等离子体系统的实验以及理论模型提出有一定的参考价值.     

相对论速调管中间腔与调制电子束间的非线性互作用

在强流相对论电子束驱动的相对论速调管放大器中, 由于强流和高场强的影响, 尤其是中间腔具有高Q值, 微波腔与电子束之间的非线性作用很明显, 严重影响器件性能. 根据麦克斯韦方程组以及电子在微波场作用下运动方程给出了中间腔的束-波互作用自洽方程. 从这些方程出发, 研究了调制深度和调制频率对间隙电压幅度和相位的影响. 对比常规速调管的等效电路模型, 自洽公式给出的间隙电压幅值同粒子模拟结果更接近, 尤其是较高调制深度的情况. 同时器件带宽随调制深度的增加而变宽, 这也同粒子模拟结果一致. 由此设计了一个S波段高增益相对论放大器, 在LTD (长脉冲螺旋线)加速器上开展了相应的实验工作, 实验上获得了1.1 GW的输出功率, 器件增益49 dB. 关键词： 相对论速调管 非线性互作用 自洽方程     

Coupling Instability of a Warm Relativistic Electron Beam with Ion-Channel Guiding

In this paper, the coupling instability of warm relativistic electron beam (WREB) propagating through the ion channel guiding is investigated in detail. Obtaining the equilibrium state of the system by considering the self-electric and azimuthal magnetic field, the fluid-Maxwell equations as well as linear perturbation theory are employed to derive the dispersion relation of the excited modes in the system. Numerical analysis of the obtained dispersion relation shows that the electromagnetic (EM) instability can be induced nearly the center of the beam through coupling between the fast electron plasma wave (FEPW), originated from the longitudinal oscillation of WREB, and fast forward electromagnetic wave (FFEW). In this sense, growing the perturbation amplitude occurs due to transport the kinetic energy of WREB to the EM wave at the specific frequency range, where the phase velocity of FEPW and FFEW is coincided. The results of the present investigation will greatly contribute to the understanding of the stability of the warm relativistic electron beam in laboratory experiments, such as in free electron laser experiments, where the ion-channel guiding is used to confine the electrons against the self-repulsive forces generated by the beam itself.     

The interaction of relativistic electron beam with the electromagnetic field in the neighbourhood of a caustic region

We present the theory of self-consistent interaction of crooked relativistic electron beam within and near the e.m. field caustic zones of jumping ball and whispering gallery types being formed in open resonators of elliptical cylindrical symmetry. On the basis of numerical analysis of nonlinear system of equations by applying a large-particles method, the principal possibility to design the multiwave synchro-Cherenkov amplifiers and generators is shown.     

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.     

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.     

Distribution function of an electron beam in a focusing magnetic field

The distribution function of electrons moving in an axially symmetric focusing magnetic field is constructed. The macromotion and self-field of the beam are taken into account. The nonrelativistic and relativistic limits are discussed. Upon switching off the magnetic field the distribution functions obtained change into the Maxwell-Boltzmann distribution. The motion of charged particles in a focusing magnetic field is the simplest model for investigation of a beam of particles, for example, electrons, in storage or accelerator rings. In accordance with the well-known theorem of N. Bohr, a magnetic field has no effect on the distribution function for a one-dimensional distribution of electrons with respect to the momenta. However, the situation is altered if macromotion occurs in a static system, for example, the revolution of electrons in storage or accelerator rings. Maintaining the focusing of the beam in an equilibrium orbit, the magnetic field thereby affects the electron distribution function. For an actual electron beam the distribution function is determined by the initial conditions of formation of the beam; however, as a result of scattering processes it will approach some steady-state equilibrium distribution function. We will discuss the problem of finding such a distribution function in the nonrelativistic and relativistic cases.Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Fizika, No. 7, pp. 35–40, July, 1978.The author thanks Professor I. M. Ternov of Moscow University for his constant interest in this research and Professor V. G. Bagrov of Tomsk University for help in the research.     

扇形多注强流相对论电子束的产生与传输研究

多注相对论速调管相对于常规相对论速调管, 每注电子束具有更低的导流系数和更低的空间电荷力, 却具有更高的束波转换效率. 本文基于这方面的需求, 通过三维软件模拟与实验研究了扇形多注强流相对论电子束的产生与传输. 通过建立电子枪的三维模型, 分析了阴极端面静电场的分布及其对电子束产生的影响; 通过粒子模拟获得了发射束流, 然后通过粒子跟踪仿真, 得到了电子束在空心漂移管和多扇形孔漂移管中传输的束斑图, 并对其进行了理论分析与解释. 模拟和实验结果表明, 电子束在空心漂移管传输过程中不仅绕束自身中心旋转, 还绕系统的中心旋转, 通过旋转多扇形孔漂移管实现对中的方法可提高传输效率.     

Excitation of microwave by an annular electron beam in a plasma-filled dielectric lined waveguide

An axial relativistic electron beam passing through a slow wave structure is unstable to an electromagnetic perturbation whose phase velocity equals the velocity of the beam. This phenomenon of Cherenkov emission is the basis of all traveling wave tubes. In this paper an excitation of Cherenkov radiation by a thin annular relativistic electron beam in a plasma-filled dielectric-lined waveguide is analysed by use of the self-consistent linear theory. The effect of the thin annular electron beam on the beam-wave interaction is completely described by a jump condition. The dispersion equation and the simultaneous condition of the beam-wave interaction are derived. Finally, the growth rate of the wave is obtained, and the effect of the background plasma density and the electron beam radius on the growth rate of the wave are presented.This work is supported by National Natural Science Foundation of China.     

离子通道回旋电子注受激辐射非线性理论

文中对散射波自洽增长的时间响应进行了数值模拟计算,研究了离子密度、电子注入射能量对电磁散射波的功率、频率以及工作效率的非线性影响 关键词： 电磁辐射 非线性 高功率毫米波源 等离子体