全三维55GHz双阳极磁控注入式电子枪数值模拟

根据绝热压缩和角动量守恒理论对55GHz双阳极磁控式注入枪进行了初始参数的设计,并利用自主研发的三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟,通过改变阴极半径、电子注电流、阴极磁场等参数来分析其对磁控注入式电子枪输出结果的影响。最终通过优化参数和综合因素的考虑,得到了横纵速度比为1.44、最大速度零散为5.8%的高性能电子束,能够很好满足55GHz回旋振荡管对电子束的要求。     

回旋管双阳极磁控注入枪的边界元法计算

 根据边界元法建立物理与数学模型,编制了计算磁控注入枪的程序。使用该程序设计和模拟一个工作在35 GHz,70 kV,10 A基波回旋行波管放大器的双阳极磁控注入枪,获得较好的模拟结果。并对电子注在不同工作电压和磁场下的质量进行了分析计算。计算表明,边界元法在分析回旋器件电子光学方面是一种非常有效的方法。     

双注磁控注入电子枪

为了增加回旋管的功率,采用双注磁控注入电子枪产生相对论电子注。与双阳极磁控注入电子枪相比,双注磁控注入电子枪产生双束电子注,在不影响电子注质量的基础上,增加电子枪的电流;电子枪产生相同电流时,双注磁控注入电子枪电子注电流小,电子注电子之间的空间电荷效应小,能够降低电子注的速度零散,提高电子注的质量。采用MAGIC软件数值模拟双注磁控注入电子枪,设计出一支大束流、低速度零散的双注磁控注入电子枪。     

用于高平均功率FEL的DC-SC光阴极注入器

 为获得用于高平均功率自由电子激光（FEL）的高平均流强电子束，设计了一种新型的DC-SC光阴极注入器。该注入器由皮尔斯直流引出结构、1+1/2超导腔和同轴功率耦合系统组成，可以提供高品质、CW模式或高占空比的电子束。对DC-SC光阴极注入器进行了优化设计和束流动力学研究。模拟和优化结果表明DC-SC光阴极注入器完全可以用于高平均功率自由电子激光。模型腔实验验证了理论模拟的可靠性。     

低速度零散的双阳极磁控注入电子枪设计

根据0.14 THz共焦波导回旋行波管对电子枪的要求,完成了双阳极磁控注入电子枪的设计。使用PIC软件对理论设计得到的结构参数进行了模拟优化,最终得到该枪的电子注横纵速度比为0.75,纵向速度零散1.33%。讨论了电极形状、阴极磁场、控制极电压及发射电流对电子注性能的影响,结果表明,设计过程中应对它们进行充分的优化。     

高压直流连续波光阴极注入器中电子束流发射度研究

 高平均功率自由电子激光研究中，电子束质量是关键。针对高平均功率自由电子激光目标参数，提出了直流高压连续波光阴极注入器，给出了注入器的束流动力学过程。为了降低输出束流横向发射度，采用特殊结构设计的静电加速腔，加速电压1MV，最大加速梯度10MV/m。用PARMELA程序进行了粒子动力学模拟，电子束束团电荷为0.5nC，束团长度10ps时，注入器输出束流归一化发射度均方根值为5.8mm·mrad。     

北京大学DC-SC光阴极注入器的升级设计

 基于直流电子枪-超导加速腔（DC-SC）光阴极注入器样机的初步实验结果，北京大学提出了新的注入器的改进设计。新注入器核心结构包括皮尔斯枪和3+1/2超导腔。文章给出了它们的详细结构参数，然后采用程序，对注入器的束流动力学进行了模拟。结果发现：新注入器可以提供具有高束流品质、高平均流强的电子束，束团的电荷量100 pC，横向发射度低于2 mm·mrad,脉宽5 ps,rms束斑可达0.5 mm，重复频率81.25 MHz；也可以提供电荷量为300 pC低重复频率的高峰值流强的电子束，其横向发射度小于3 mm·mrad,脉宽约为9 ps，以满足北京大学自由电子激光（PKU-FEL）实验平台的要求。     

光阴极RF腔注入器束流发射度研究

 分析了光阴极RF腔注入器中的RF场效应和空间电荷效应，给出了电子在加速腔中束流发射度的解析表达式，它说明在加速过程中束流发射度是振荡变化的。利用SUPERFISH和GPT程序模拟计算了光阴极1+1/2腔注入器输出束流发射度与加速场强、注入相位、束团大小和形状、束团电荷的关系。适当选择这些条件，可以获得横向发射度小于2πmm·mrad 的输出束流。     

光阴极注入器型能量回收射频加速器

 光阴极注入器型能量回收射频加速器（PERL）是新一代加速器，在高平均功率自由电子激光和下一代高亮度光源等研究中有很好的应用前景。分析了PERL的强流与高平均功率特性，对注入器输出束流品质的要求及光阴极注入器、超导加速腔等关键技术进行了研究，设计分析了一种特殊结构的高压DC Gun光阴极注入器，能有效地提高DC加速腔中的加速场强，当高压为1MV和加速场达到10MV/m时，产生的电子束流能够基本满足PERL应用要求。同一超导加速段中的束流加速和能量回收的数值模拟计算结果表明，能获得高效率电子束流能量回收效果。     

强流同步双阴极二极管电子束模拟与诊断

 高同步性的多电子束能够驱动产生有利于实现相位控制的多束微波，是高功率微波功率合成的关键技术。对单台加速器驱动强流同步双阴极二极管进行了模拟，在二极管阻抗约10 W，输入电压442.6 kV条件下，获得了总功率大于20 GW、总束流为47.6 kA、同步时间差小于6 ns的双电子束。开展了轰击不锈钢目击靶实验和同步双电子束诊断实验，双阴极材料为不锈钢，单个阴极长30 mm，两阴极中心间距为100 mm，阴极发射面采用天鹅绒，单阴极半径为20 mm，在阴阳极最大电压为442.8 kV时，束流峰值总和为48.78 kA，双束流同步时间差保持在4~6 ns范围内，实验结果与模拟符合较好。     

Improved Computer Program for Magnetron Injection Gun Design

Gyrotron has received extensive attention owing to its high-power capability, especially when the wavelength shrinks below the millimeter-wave range. The electron beam of a gyrotron is typically generated by a magnetron injection gun (MIG). For high cathode current density, the MIG may operate in a region that combines temperature limited and space-charge limited emissions. An improved computer program for electron gun design is appropriate for MIGs that operate between space-charge limited and temperature limited emission. Moreover, the initial input formation of the program resembles that of the EGUN code. Analysis of a Pierce electron gun and MIGs reveals that the stimulated beam current appears consistent with the measured results. However, EGUN simulation results in which the cathode emitters of MIGs are chosen for the temperature limited emission differ from those of our simulation results. This difference is most likely owing to that the initial emitting energy can not be completely described in the EGUN simulation. Finally, the improved computer program is used to design a MIG for a Ka-band, TE₀₁ mode gyro-TWT.     

Beam Characteristics of Mechanically Tunable Magnetron Injection Guns

Gyrotron has received extensive attention owing to its high-power capability, particularly when the wavelength shrinks below the millimeter-wave range. The electron beam of a gyrotron is typically generated by a magnetron injection gun (MIG), and a mechanically tunable MIG is employed to enhance the beam quality. However, a slight adjustment in the position of the center electrode of the mechanically tunable MIG can cause significant modification of the electric-field profile. Consequently, the cathode current of the mechanically tunable MIG is not only dependent on the cathode temperature, but also the relative position of center electrode. To accurately determine the beam characteristics of the mechanically tunable MIG, an improved computer program is employed to simulate electron trajectories. Simulation and measurement results indicate that although the magnetic field and compression ratio do not influence the beam current of the mechanically tunable MIG, but the beam current of the MIG depends on the cathode temperature and relative position of the center electrode. Finally, an improved mechanically tunable MIG design is developed to enhanced an beam quality while minimizing beam current variation.     

双阳极磁控注入枪设计参数对其性能的影响分析

 对34GHz基波回旋管双阳极磁控注入枪的优化做了详细的研究和计算，数值模拟了阳极电压、注电流、枪体尺寸加工误差、外加直流磁场等因素对电子枪的影响。模拟结果表明：增大阳极电压不但可以提高速度比，而且可以降低横向速度零散。磁场压缩比减小，使电子注具有最小速度零散的电流值增大；同时，电子注的速度比降低，最小横向速度零散值也增大。必须慎重选择阳极形状，以提高电子枪的性能并保证电子注的稳定性；同时，还发现由于阳极结构的变化导致阴极电场分布的变化，使电子注的注电流在各因子变化过程中出现了微小的扰动。减小Bc可以增大电子注的速度比，还可以减小电子注的横向速度零散，但是当电子注的速度比增大到一定值时，电子注的性能就会变得不太稳定。     

强流碳纳米管阴极快脉冲重频发射特性

在Cu基底上, 采用催化热解生长法制备了石墨化程度较高的碳纳米管阴极. 当电子束能量达到1 MeV、梯度约为60 kV/ns时, 发射束流强度达到15 kA, 相应密度约为1 kA/cm², 束压、束流响应快, 波形间几无延时. 以50 Hz重复频率、约15 GW束功率强流发射时, 波形稳定, 随着频率增高, 稳定性降低. 发射炮次达1000后, 表面形貌保持完整、界面无脱附; 束压与束流基本满足空间电荷限制定律, 发射机理属闪络型等离子体发射, 等离子体速度约为3.9 cm/μs.     

Calculation of the electron beam current in a vacuum diode with a magnetically insulated edge cathode

The current of a steady-state electron beam emitted from the magnetically insulated, finite-emissivity edge cathode of a two-electrode coaxial gun is calculated. The dependence of the emission current on the applied voltage is analyzed by solving a self-consistent problem. The field structure near the cathode edge is investigated, and its dependence on the current of the generated electron beam is determined.     

碳纳米管阴极强流脉冲发射特性实验

 在2 MeV直线感应加速器注入器平台上研究了采用浸渍涂覆方法制备的大面积碳纳米管阴极发射体的强流发射特性。研究结果表明：在脉冲高压电场下,碳纳米管阴极具有强流电子束发射能力,发射电流密度较大;碳纳米管阴极发射电子过程为场致等离子体发射。实验过程中,阴极端取样电阻环收集到的最大发射电流达350 A,阳极端法拉第筒收集的发射电流为167 A,最大阴极发射电流密度为19.4 A/cm²。     

Study of transients in the formation of heavy-current nanosecond electron beams

Results are presented from experimental and numerical studies of the spatial and temporal microstructure of a relativistic heavy-current electron beam of nanosecond duration. The beam is formed in a magnetically insulated coaxial diode with an edge-emitting cathode. Microcurrent oscillations and azimuthal nonuniformity of the beam are seen, the scale of the latter depending on the maximum cyclotron radius of the electrons. Two- and three-dimensional numerical calculations performed by the macroparticle method show that space-charge oscillations near the cathode produce these phenomena even in the case of a uniform emission surface. It is shown that the increase in the full current of the beam that occurs during the pulse in a weak magnetic field is connected with the gradual propagation of emission to the cylindrical outside surface of the cathode. A study is made of the effect of the discreteness of the emission surface on the impedance and current of the vacuum diode. The linear increase seen in current during the pulse with a small number of emission centers is attributed to an increase in their size as a result of expansion of the cathode plasma. Institute of Heavy-Current Electronics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, No. 12, pp. 31–48, December, 1996.     

栅网结构碳纳米管冷阴极电子光学系统的设计

基于碳纳米管冷阴极实验测试结果,采用三维粒子模拟软件对大面积碳纳米管冷阴极的场致发射特性进行了仿真,研究了栅网结构不同尺寸对碳纳米管冷阴极场致发射特性及电子注通过率的影响,并在此基础上设计出面积压缩比为18,输出电流密度为14.9 A/cm2的带状注电子枪。为进一步研制碳纳米管冷阴极电子光学系统和相关微波、毫米波电真空辐射源器件提供了技术基础。     

太赫兹源场致发射电子源

通过粒子模拟(PIC)软件模拟计算了在ps级别下二极与三极结构碳纳米管场致发射的电流密度与电子注聚焦性能。阳极电压在2 kV时,二极结构下电流密度达到1.85 A/cm2;三极结构下,栅压700 V时发射电流密度达到2.3 A/cm2,且在一定的三极结构参数与电极电压下,可以获得较好的电子注聚束效果。通过碳纳米管二极管发射实验,获得了6.6 A/cm2的发射电流密度,总发射电流达到52.1 mA,可以为太赫兹器件提供连续发射的电子注。