Wiggler磁场聚焦带状电子注

 带状电子注在螺线管磁场作用下传输时,易形成Diocotron不稳定性,导致电子注崩溃。采用Wiggler磁场聚焦带状电子注能防止Diocotron不稳定性。研究了Wiggler磁场聚焦带状注的作用机理,得出带状电子注在Wiggler场作用下的包络方程。结合理论分析,使用3维粒子模拟程序对带状电子注的Diocotron不稳定性和Wiggler磁场抑制不稳定性分别进行了模拟。研究表明:合适的选择磁场大小和周期能有效抑制Diocotron不稳定性,使得设计带状电子注行波管成为可能。     

带状电子注的聚焦和传输

 采用单粒子模型,对有限宽矩形带状电子注在周期会切磁场(PCM)、带偏移磁极的周期会切磁场(offset-pole PCM)和周期会切周期四极磁铁混合磁场(PCM-PQM)聚焦结构中传输的双平面聚焦,进行了详细的理论和数值分析研究。结果表明:PCM和offset-pole PCM聚焦结构对于实现带状电子注的双平面边缘聚焦比较困难,原因在于它们无法独立控制电子注水平和垂直两个方向的聚焦。PCM-PQM聚焦结构则非常有效地改善了聚焦,可以很好地实现带状电子注边缘的聚焦和均匀稳定的传输。     

Wiggler聚焦带状注速调管电子光学系统的设计

 带状注速调管可以在高频段实现高功率微波输出，电子光学系统是带状注速调管的关键部件。阐述了Wiggler双平面聚焦理论，设计了新型椭圆形柱面阴极和椭圆形聚焦极结构，阴极曲率半径为17 mm，长轴10 mm，短轴4 mm；聚焦极长轴28.8 mm，短轴10.4 mm。采用这种结构可以直接产生椭圆形带状电子注，且阴极发射电流密度较为均匀。设计了周期长度为8 mm，总长度为108 mm，中间带有凹槽并可以实现双平面聚焦的Wiggler结构，模拟显示电子注填充因子在75%左右，通过率达到100%。设计了新型的菱形收集极结构，电子轨迹在收集极内发散均匀。     

带状注速调管电子光学系统的设计与模拟

 设计了对有限宽带状注进行聚焦的周期永磁（PPM）磁场，利用E-GUN，SUPERFISH，MAFIA和PIC模拟软件，建立了计算具有平面对称结构的2维及3维电子光学系统模拟平台,并应用此平台对X波段、100 MW带状注速调管的电子光学系统进行了设计与模拟。结果显示，利用设计的PPM聚焦系统，当磁场周期为60 mm，入口处磁场为0.1 T时，在600 mm的传输距离下，电子注的通过率达到了99.6%。     

周期椭圆螺线管聚焦带状电子注的理论研究和粒子模拟(英文)

带状电子注真空器件是一种很有潜力的高功率微波毫米波器件,其中带状电子注的稳定传输和聚焦是该器件的关键。针对带状电子注的聚焦和传输,提出采用周期椭圆螺线管结构来稳定传输高椭圆率的带状电子注。通过理论分析,得到椭圆螺线管的磁场分布情况,研究了该磁场下带状电子注的运动情况,并且推导出带状电子注在周期椭圆螺线管结构中稳定传输的条件。最后,采用粒子模拟验证了该稳定传输条件。     

周期凸起磁场聚焦带状电子注的3维粒子模拟

 从麦克斯韦方程出发，分析了带状电子注在螺线管磁场中传输时Diocotron模形成的原因；对周期凸起磁场(PCM)聚焦下的电子受力进行分析，分析表明PCM磁场能够抑制Diocotron模。结合理论分析，利用3维粒子模拟程序， 对Diocotron模的形成进行了研究，并利用了PCM磁场聚焦带状电子注，抑制Diocotron模。通过粒子模拟研究了磁场大小对PCM磁场抑制Diocotron模的影响，结果表明：磁场减少导致空间电荷力和磁力需要平衡，其侧面包络变厚。     

多注行波管周期永磁聚焦系统

 利用自行开发的3维行波管仿真软件研究了五注耦合腔行波管周期永磁聚焦系统,分析了各个电子注通道内的静磁场分布和电子注聚焦性能。讨论了在有无初始横向速度的情况下各电子注的聚焦情况。并对外层电子注通道内的横向磁场的性质和其造成的对电子注聚焦的影响进行了分析,结果表明:该多注周期永磁聚焦系统具有良好的静磁场分布特性与电子注聚焦性能,在结构设计合理时,横向磁场对外层通道内电子注的聚焦影响很小,可以忽略。     

高传输通过率带状电子注聚焦与传输特性的研究

大宽高比的非轴对称带状电子注在微波和毫米波真空电子器件中具有显著的技术优势与应用潜力. 采用轴向均匀磁场可以聚焦和传输带状电子注,且具有易于实现电子注与磁场的匹配和调节、聚焦强流电子注以及无传输截止电压限制等优点,但面临严重的Diocotron不稳定性. 结合单粒子模型理论和冷流模型理论,对带状电子注传输特性进行的研究及其数值计算表明,通过详细设计带状注电子光学系统物理参数,增强聚焦磁场并在传输通道高度方向上选择较大的电子注填充比,可以有效降低Diocotron不稳定性对带状电子注的影响,并实现其长距离稳 关键词： 带状电子注 传输 均匀磁场聚焦 Diocotron不稳定性     

周期永磁聚焦电子注性能计算机模拟

 使用全三维电磁场粒子模拟程序MAFIA建立了行波管周期永磁聚焦系统模型，计算了磁系统中的磁场分布和静态电子注传输特性。分析了周期永磁系统聚焦电子注传输特性，并重点讨论了磁场强度、磁场端部效应和横向速度分布对电子注聚焦性能的影响。为周期永磁聚焦系统的工程设计和优化提供了有价值的模拟结果。     

X波段耦合腔行波管周期永磁聚焦系统

通过对不同耦合腔结构中电子注传输特性的研究,设计了长周期永磁聚焦系统,解决了影响电子注传输的横向磁场,开口磁环和磁场过渡区等问题,运用3维程序对X波段耦合腔行波管电子光学系统进行模拟计算,电子注通过率达到100%,波动9%,与耦合腔行波管实验要求一致。     

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.     

Static Field-Wave Coupling Theory for Cyclotron-Undulator Hybrid FEL with realizable Cusp Wiggler

The Static Field-Wave Coupling Theory for TE_mn mode Cyclotron-Undulator Hybrid FEL(CUHF) with realizable longitudinal periodic magnetic field (Cusp Wiggler) is established directly in the laboratory frame. By introducing the concept of imaginary beam, the wave—the fundamental spatial harmonic of the excited radiation field, and the static field—the realizabl Cusp Wiggler field, is found coupling by solving the 3rd order approximate Vlasov-Maxwell equation. The zeroth order approximate dispersion relation for fundamental undulation and harmonic cyclotron CUHF is obtained and simplified to the version of practical usage.     

具有导向磁场的可变Wiggler自由电子激光器的物理机制

本文在忽略电子间相互作用的条件下,通过求解相对论洛伦兹方程,给出了在附加有导向磁场的可变Wiggler场中电子与电磁场相互作用的物理机制。同时讨论了几种通过改变导向磁场或Wiggler场参数的方法以提高能量转换速率的方法。     

具有导向磁场的可变Wisggler自由电子激光器的物理机制

本文在忽略电子间相互作用的条件下,通过求解相对论洛伦兹方程,给出了在附加有导向磁场的可变Wiggler场中电子与电磁场相互作用的物理机制。同时讨论了几种通过改变导向磁场或Wiggler场参数的方法以提高能量转换速率的方法。     

W波段扩展互作用器件均匀磁聚焦电子光学系统

扩展互作用器件,采用三个线圈和一个磁极实现均匀磁场分布。根据理论计算采用有限元法磁学(FEMM)仿真软件对所求磁场进行了建模分析,依据FEMM计算的磁场结合静电电子枪,采用CST仿真软件对高电流密度、高压缩比的电子注在均匀聚焦磁场的作用下传输进行优化。经过计算得出,在工作电压为17 kV、阴极发射电流密度小于10 A/cm2的条件下,由皮尔斯电子枪发射的电子注在均匀磁场的聚焦作用下传输良好,通过率为100%,得到了导流系数为0.175μP的电子枪,在均匀磁场区形成了高电流密度、高压缩比的电子注,平均电流密度达到343.17 A/cm2,压缩比为32,电子注横纵速度比为7.2%。     

220 GHz均匀永磁聚焦行波管电子光学系统的设计与实验研究

电子光学系统是行波管的核心部件之一,在太赫兹频段,电子束通道很小,导致高电流密度电子束的传输非常困难。基于220 GHz折叠波导行波管慢波结构设计所需束流参数,根据理论分析和电磁仿真软件,设计了一款采用均匀永磁聚焦对电子束进行约束的电子光学系统。仿真结果显示,当电子束通道直径0.3 mm、长度31 mm时,在阴阳极压差20 kV的条件下阴极发射电流141 mA,电子流通率100%。根据设计结果封接了流通管,实验结果显示,当阴阳极压差20 kV时,阴极发射电流138.5 mA,收集极电流125.5 mA,电子流通率91%。     

非线性共振及束晕-混沌的场强参数特性

通过计算和分析周期聚焦磁场强度和表征束自生场强度的束导流系数的变化对强流粒子束运动特征的影响,系统研究了强流粒子束的非线性共振和束晕现象。采用庞加莱截面技术对束核包络振荡及其单粒子运动轨迹进行了数值模拟,清楚地展示了不同情况下束核包络非线性振荡以及对应的试验粒子空间分布。结果表明:束核自生场使得束核包络发生非线性振荡,随着束核自生场和聚焦磁场的增加,伴随着束核共振岛的出现,单粒子空间分布出现越来越多的束晕粒子。     

束流物理学的量子方法初探

 量子束流物理学是近年来发展起来的处理束流传输的全新方法，它是经典束流物理学的有益补充。介绍了量子束流物理学的热波模型和基于狄拉克方程的相对论电子束磁透镜量子理论，并与经典束流物理学方法进行了比较。