同轴型强流电子束二极管的一种解析近似

 从描述电子束运动的基本方程出发,引入一定条件下的近似,获得了一种实用的同轴二极管电流、电压与几何参数关系的近似解析解。给出了同轴二极管阻抗、间隙电压分布与二极管外加电压以及结构参数之间的关系式,并与1维模型精确数值解进行比较分析。采用了PIC数值模拟方法对该理论分析结果在常用参数范围内的准确性进行了验证,获得了一致的结果。与相对论条件下的实验结果数据相比,在二极管电压为300～700 kV时实验结果与该理论估算值非常接近。     

阳极杆箍缩二极管的理论模型及物理特性

闪光X射线源是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段,阳极杆箍缩二极管(RPD)作为其重要组成部分之一,直接影响闪光X射线源照相质量。研究RPD物理特性对二极管物理结构优化设计及实验调试具有重要意义。分析了RPD空间电荷限制、弱箍缩和磁绝缘阶段物理模型。基于PIC模拟技术,编写了计算程序,研究了RPD不同阶段的电子电流、离子电流及电子束箍缩物理特性。通过理论分析,获得了特定几何结构RPD物理模型修正系数及各个阶段离子电流与电子电流比,验证了粒子模拟代码的有效性。模拟结果表明:空间电荷限制阶段,粒子模拟结果与双极性流计算结果一致;在弱箍缩和磁绝缘阶段,粒子模拟得到的总电流与磁绝缘模型计算结果一致,且与文献给出的经验拟合表达式计算结果一致;磁绝缘阶段离子电流与电子电流之比与电压和二极管几何结构相关,给出了离子电子电流比增大系数η与电压和阴阳极半径比的关系,该系数受电子、离子在不同结构二极管渡越时间的影响,随电压和阴阳极半径比增加而逼近恒定值。     

C波段三腔渡越时间振荡器的数值模拟

 用2.5维PIC程序对三腔渡越时间振荡器进行了数值模拟，给出了产生微波的详细物理图像。模拟表明：三腔渡越时间振荡器能调制强流电子束并输出微波，微波频率符合理论设计值。模拟得到了输出微波功率随栅网间距，随反向二极管轴向间距以及提取口径向间距变化的规律。输出微波功率与栅网间距的关系与线性理论基本相符。在电子束电压400kV，电流4kA的条件下，模拟得到的结果为微波峰值功率约600MW，频率5GHz，起振时间约3.5ns，峰值功率效率大于37%。     

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。     

轴对称平板二极管空间电荷限制流的2维效应

 应用精度较高的体积加权电荷、电流分配模型,对轴对称平板二极管的空间电荷限制流2维效应进行了粒子模拟研究。选取电压分别为100 kV和1 MV两种情况,对空间电荷限制流受二极管尺寸影响的规律进行了模拟。模拟结果表明,2维效应使空间电荷限制流密度随二极管形状因子(阴极发射半径与阴阳极间隙的比值)的减小而增大,且受相对论效应的影响不明显。经数值拟合得到了空间电荷限制流2维效应与形状因子相关的二阶经验公式,其一阶系数与一阶理论结果基本一致,约为1/4。     

向内发射同轴虚阴极振荡器理论分析与数值模拟

 针对向内发射同轴虚阴极振荡器进行了1维理论分析，给出了电流电压关系的数值解，估算了同轴漂移区空间电荷限制流及虚阴极位置；同时使用MAFIA程序进行了全3维PIC数值模拟研究，通过调节阴极电子发射区与阳极反射板之间距离进行了一系列计算，得到了圆波导中各传输模式频谱及功率。结果表明，尽管使用圆周对称的同轴结构，输出模式中TE₁₁和TM₀₁仍占主导地位，两种模式共同存在，相互竞争。在最佳情况下，当二极管电压为250 kV，电流为20 kA时，得到了微波输出总功率最高为740 MW，功率效率超过10%，主频为3.18 GHz，同时含有较强TE₁₁和TM₀₁模式成分的微波输出。     

多注RKA束流调制的理论与模拟比较分析

采用非线性理论探索了同轴多注相对论速调管放大器(CMRKA)的束波互作用特性，并与PIC结果进行了验证分析。首先推导了实心电子束的几何因子，然后分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程，并给出了多注速调管放大器的同轴输入腔间隙耦合系数的公式。对于束压为600 kV、束流为5 kA的16注电子束，当输入腔间隙电压分别为4.6，32.7，189 kV时，采用一维非线性理论和三维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系，理论和模拟结果比较一致。当间隙电压为4.6 kV时，理论计算了多注电子数的个数分别为8, 12, 16以及实心电子束的半径与单注电子束通道半径比6/15, 8/15, 10/15(通道半径不变)时基波电流调制系数随传输距离的变化。结果表明，随着多注电子数的个数和电子束半径的增加，基波电流调制系数有逐渐变大的趋势。此外还计算了当间隙电压为20 kV时，归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和归一化常数N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化。     

低阻抗强流箍缩电子束二极管的3阶段电子束流模型

 在顺位流模型与“4阶段”粒子流动模型的基础上，提出了一种用于分析100ns／MA级电子束流的低阻抗强箍缩二极管物理过程的理论模式。在这种理论分析模式中，将电子和离子的流动情况随时间的演变过程分成非箍缩电子流、弱箍缩电子流、强箍缩电子流3个不同的阶段，分别结合聚焦流和顺位流模型对各个阶段特性进行估算。利用KARAT PIC数值模拟软件并结合“强光一号”加速器的工作状态，对该类型二极管中电子束的流动过程作了数值模拟，并在“强光一号”加速器上开展了实验研究。数值模拟和实验结果的对比表明，所提出的新的理论分析模式是合理可行的 。     

同轴虚阴极振荡器数值模拟

 给出了同轴型虚阴极振荡器的数值模拟和部分理论分析结果, 指出许多几何结构参数包括阴极宽度、二极管间隙等都对输出微波的频率、带宽和能量转换效率有较大的影响。给出了这些参量之间关系的数值模拟结果，在一定程度上为同轴虚阴极振荡器的实验研究提供了理论基础。     

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     

单阳极磁控注入电子枪的设计

该单阳极磁控注入电子枪是为8mm永磁包装回旋振荡管设计的。首先利用绝热理论和角动量守恒理论进行了初始的电极参数设计,其次讨论和选取数值计算方法,然后利用自编的程序进行数值计算和优化,同时讨论了空间电荷的影响和速度零散的改善,最终得到最佳的电极和电子注参数。该电子枪已经应用于制管实验中。     

Propagation of a magnetic insulation wave in a vacuum line with a bias current

An analytic model is developed and numerical simulation is performed for the operation of a vacuum coaxial line with a bias current. The results of computations make it possible to determine the bias current preventing electron leakage at the front of an incident voltage wave and to predict the ??hot?? line impedance. This model forms the basis of the method for determining the voltage across a vacuum load with the help of a short-circuited coaxial line with a bias current.     

同轴慢波结构相对论高功率微波产生器初步实验研究

 对一种同轴慢波结构相对论高功率微波产生器进行了初步的实验研究。利用数值模拟优化得到的结构，建立了实验装置。初步实验结果表明：该种器件具有微波产生效率高的优点，在实验系统并没有达到优化状态的情况下得到的微波转换效率达28%，峰值功率约为1.3 GW。微波频率基本不随二极管电压变化，约为7.7 GHz，这与文献中数值模拟给出的结果一致。     

同轴虚阴极振荡器实验研究

 介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所关于同轴虚阴极振荡器实验的最新进展。实验结果表明，带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器比不带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器输出微波功率更高，频谱更纯。在二极管电压350 kV，电流23 kA条件下，输出微波峰值功率500 MW，能量转换效率约6.2%，工作频率为3.3 GHz。对实验结果进行了理论分析。     

低阻抗大面积二极管的研制

采用高纯石墨环状阴极和有机玻璃绝缘子,研制了一套低阻抗大面积二极管系统。使用理论计算和数值模拟方法对二极管进行优化设计,在保证绝缘要求的同时,尽量优化二极管轴向长度和内外筒距离以减小二极管的回路电感。实验结果表明,优化后的二极管能在200 kV左右的电压上稳定工作,绝缘结构未发生击穿现象;实验中最高输出电压为213 kV,电流为221 kA,特性阻抗约为1 ,电流密度为8 kA/cm2,脉宽(FWHM)为50 ns。     

MC55低阻抗强流脉冲电子加速器研制

介绍了MC55低阻抗强流脉冲电子加速器的结构及主要技术参数,给出了加速器的初步调试结果。该加速器由Marx发生器、10Ω水介质单筒形成线、高压自击穿气体开关、水介质传输线和真空二极管组成。经过初步调试,该加速器可以产生电压500 kV,电流50 kA,脉冲宽度50 ns的强流电子束。目前MC55加速器已应用于同轴虚阴极振荡器高功率微波源的实验研究。     

Development of a ferroelectric cathode diode

As a promising kind of high current cold cathode,the Ferroelectric Cathode(FEC)has several significant advantages,such as a controllable trigger time,lower vacuum requirement and large emitting area fabricability.The emitting current density of the FEC fabricated at Tsinghua University was more than200 A/cm2.In order to make the ferroelectric cathode into practical applications,a high current density diode using a ferroelectric cathode was designed,based on the PIC simulation.The performance of the FEC diode was investigated experimentally.When the applied diode voltage was 60 kV,a current density of more than250 A/cm2 was obtained,and the current density distribution was also measured.     

等离子体离子源发射面的理论计算与数值模拟

 等离子体离子源发射面的位置和形状决定了离子束的传输特性,而发射面的位置与形状又取决于等离子体参数、引出电压、电极结构等,并自动地调节到某个平衡状态。介绍了一种2维情况下等离子体离子源发射面的位置与形状的理论计算方法,即非磁化等离子体不能扩散进入外加电场中大于一定临界值的区域,等离子体离子源发射面的位置及形状可以通过直接求解引出系统的Laplace方程而得到。利用基于PIC的OOPIC程序对不同引出结构的发射面位置及形状和引出束流进行了数值模拟,结果与理论计算的结果十分接近。