微脉冲电子枪动力学实验研究

微脉冲电子枪是一种利用次级电子倍增效应产生强流电子束的微波电子枪.使用氧化镁作为阴极材料进行了微脉冲电子枪的高功率热测实验, 给出了不同射频功率下的发射电流波形, 并观察到了高阶次级电子倍增效应.实验结果与稳态和瞬态粒子动力学以及模拟计算结果定性符合.     

双微波馈入热阴极微波电子枪实验研究

中国工程物理研究院紧凑型自由电子激光太赫兹源装置采用了两路微波独立调谐热阴极微波电子枪作为注入器,一路由首腔馈入激励首腔和实现阴极表面建场并引出电子,另一路由后续腔馈入并通过腔间耦合激励各腔,两路微波互不耦合。对于这种微波激励方式,微波电子枪首腔的电场相位和幅度在实验中均可调节,因此可以通过实验研究来优化微波电子枪的工作参数,从而减小热阴极微波电子枪的电子反轰效应,提高束流品质。介绍了该热阴极微波电子枪热测实验研究的最新结果,通过BCT测得微波电子枪出口处束流强度超过400mA,电子反轰效应随着首腔电场的相位和幅度调节发生显著变化,这些指标和实验现象与理论研究结果较为吻合。     

微放电试验中种子电子加载方法比较

为改进微放电试验的有效性,针对微放电试验中种子电子的加载方法进行了研究,介绍了辐射源、紫外光源、电子枪三种加载方法,并说明和比较了上述方法的优缺点和适用范围。接着重点介绍了两种辐射源加载种子电子的方法:β衰变和γ跃迁,并对两种方法加载种子电子的特性进行了定量分析。所得结果表明,基于β衰变的90Sr及同时进行β衰变和γ跃迁的137Cs均可产生能够穿透毫米量级铝质微波部件壁厚的不同数量的种子电子, 适合用于微放电试验中的种子电子加载。     

独立调谐热阴极微波电子枪电子反轰效应北大核心CSCD

为开展自由电子激光太赫兹技术研究,研制出利用两路微波馈入的独立调谐热阴极微波电子枪,建立了热测实验装置,并进行了束流测试和电子反轰效应的热测实验研究。实验结果表明,该微波电子枪出口处束流强度可超过500mA,电子反轰效应随着首腔电场的相位和幅度调节发生显著变化。     

光阴极微波电子枪中激光脉冲的时间抖动测量

 研究了光阴极微波电子枪输出电荷量与驱动激光相对于微波入射相位的关系。通过对光阴极材料在光电子发射时的肖特基效应和电子束团在电子枪内的纵向加速过程分析模拟，得到了电子枪输出电荷量与激光入射相位的一段线性关系，设计了利用此关系测量驱动激光脉冲相对于微波相位的时间抖动的实验方案。结果表明，这种测量方法可以分辨1.15fs的时间抖动，误差为0.23fs。     

高功率微波介质窗表面电子倍增二维粒子模拟

基于第一性原理的粒子模拟方法,对高功率微波器件中介质窗表面电子实际形成和发展的变化情况进行了研究。使用VORPAL粒子模拟软件,建立一个简单的TEM波垂直入射介质窗表面的二维模型,采用Vaughan二次电子发射模型,利用蒙特卡罗碰撞方法处理电子与背景气体之间的弹性碰撞、激发碰撞和电离碰撞,获得了介质窗表面电子倍增的图像。模拟结果表明,介质窗表面电子数量在一定的时间内达到饱和状态,其振荡频率是入射射频电场频率的两倍。改变初始发射种子电子的数量、入射射频电场的幅值以及背景气体的压强等关键性参数,可得到不同条件下介质窗表面电子数量的变化规律。     

波导内场增强法测量微波气体击穿

 提出并研究了波导内场增强法测量微波气体击穿的实验方案,在密闭波导内加金属针实现电场增强,通过调节微波源辐射功率及两针距离,使微波传输达到气体击穿的条件。介绍了实验原理及诊断方法,进行了频率2.86 GHz、脉宽180 ns的微波在0.1 MPa空气中的击穿实验,分析了实验中得到的典型波形。结果表明实验现象与设计吻合,验证了该方案研究微波气体击穿的可行性。     

基于临界电子密度的多载波微放电全局阈值分析

多载波微放电即发生在宽带、大功率真空无源微波部件中的二次电子倍增放电现象, 是影响空间和加速器应用中无源微波部件长期可靠性的主要隐患. 多载波微放电全局阈值功率的预测对于工作在真空环境中的微波部件至关重要, 但迄今尚无有效方法进行上述阈值的准确分析. 本文将微放电发生过程中二次电子分布区域等效为等离子体, 通过在理论上建立微波部件的电磁特性和电子密度间的对应关系, 提出了一种基于测试系统可检测水平的多载波微放电全局阈值功率分析方法. 为了能够通过蒙特卡罗优化方法得到全局阈值, 进一步基于电子加速的类半正弦等效, 提出了微放电演化过程中电子数涨落的快速计算方法. 基于以上两种方法得到的针对实际微波部件的全局阈值分析结果与实验结果相符合. 不同于传统基于多载波信号功率分析的经验方法, 本文基于临界电子密度判断依据和电子数涨落快速计算, 为多载波微放电全局阈值的准确预测提供了一种高效的分析方法.     

大功率铁磁性微波部件微放电演变机理与抑制

铁氧体环行器是承载航天器微波系统大功率的关键器件,其大功率微放电效应是影响航天器在轨安全、可靠运行的瓶颈问题。从影响微放电效应的关键因素——二次电子发射特性出发,提出铁磁性微波部件微放电效应物理演变模型,揭示了铁磁性微波部件内部初始自由电子与二次电子运动的空间规律;通过改变铁磁性微波部件表面二次电子发射特性,揭示了铁磁性微波部件抗微放电优化设计的物理原理。在S频段铁氧体环行器中验证了基于表面二次电子发射特性的微放电效应抑制,将器件的微放电阈值从380 W提高至3400 W以上,提升效率大于900%。     

多载波微放电阈值的粒子模拟及分析

多载波微放电阈值的准确分析对于空间大功率微波系统的长期可靠性至关重要.近年来,一种源于多载波包络周期间少量剩余电子累积的"长周期"微放电机制引发广泛关注.国内外研究者普遍认为,相对源于单个周期内电子累积的"周期内"微放电,"长周期"微放电应该被优先激发、具有更低的阈值.但依据长周期微放电判据分析所得的阈值显著高于实验结果.针对这一问题,本文采用与实验系统可比拟的微放电判据,在相同多载波信号激励、相同微波部件条件下,对微放电的演化过程进行了粒子模拟,分析了多载波微放电、特别是周期内微放电的行为特性和发生条件,有效地解释了实验结果.本文的粒子模拟结果表明,给定微波部件被优先激发的多载波微放电类型取决于载波频率的配置,长周期微放电并非一定被优先激发,这是导致基于长周期微放电判据分析所得阈值显著高于实验结果这一问题的原因所在.以上结论对于空间大功率微波部件的多载波微放电全局阈值评估和抑制设计具有指导意义.     

介质窗横向电磁场分布下的次级电子倍增效应

本文利用自编P3D3V PIC程序, 数值研究了BJ32矩波导传输TE₁₀模式高功率微波在介质窗内、 外表面引发的次级电子倍增过程, 给出了次级电子3维空间位置分布特征、介质窗表面法向静电场分布规律以及电子数密度分布特性. 模拟结果表明: 对于介质窗内侧, 微波强场区域率先进入次级电子倍增过程; 而对于介质窗外侧, 则是微波弱场区域优先进入次级电子倍增过程. 形成机理可以解释为: 微波坡印廷矢量方向与介质窗外表面法向相同而与内表面法向相反, 内侧漂移运动导致强场区域电子易于被推回表面, 有利于次级电子倍增优先形成; 外侧漂移运动导致强场区域电子易于被推离表面, 不利于次级电子倍增形成. 准3维模型相对1维模型: 介质窗内侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间长、饱和次级电子数目少、平均电子能量高、 入射微波功率低、沉积功率低; 介质窗外侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间短、饱和次级电子数目少、平均电子能量低、 入射微波功率低、沉积功率低. 沉积功率与入射微波功率比值与微波模式、强度及介质窗内外侧表面关系不大, 准3维和1维模型计算结果均在1%–2%左右水平. 关键词： 高功率微波 介质表面次级电子倍增 粒子模拟 横向电磁场分布     

介质部分填充平行平板传输线微放电过程分析

本文主要研究了介质填充微波部件微放电随时间演变的过程,重点分析了介质微波部件微放电自熄灭机理.以介质部分填充平行平板传输线为研究对象,忽略空间电荷效应,采用自主研发粒子模拟软件模拟微放电过程,并将模拟结果与金属微波部件结果进行对比.结果表明,在一定功率下,金属微放电过程中电子数目呈指数形式增长,而介质微放电过程经历初始电子倍增后发生自熄灭现象,同时发现在电子数目即将下降为0时,介质表面的平均二次电子发射系数大于1或约等于1.另外,在上述模拟结果的基础上对微放电过程中介质表面积累电荷问题进一步分析,模拟结果表明,如果持续向微波部件内注入电子,介质表面的平均二次电子发射系数最终都约等于1.所得结论对研究复杂介质填充微波部件微放电的机理具有一定的理论指导价值.     

两种外磁场形式对介质面次级电子倍增的抑制

利用自编1D3V PIC程序,数值研究了不同外加磁场方式对次级电子倍增抑制的物理过程,给出了次级电子数目、平均能量、密度、运动轨迹、渡越时间、介质表面静电场及沉积功率等物理量时空分布关系。模拟结果表明:不同方向外加磁场抑制次级电子倍增的机理有所不同。轴向外加磁场利用电子回旋运动干扰微波电场对电子加速过程,使其碰壁能量降低以达到抑制二次电子倍增的效果;横向外加磁场利用电子回旋漂移过程中,电子半个周期被推离介质表面（不发生次级电子倍增）,半个周期被推回介质表面（降低电子碰撞能量）的作用机理,达到抑制二次电子倍增的效果。讨论了横向磁场在回旋共振下,电子回旋同步加速导致回旋半径增大,电子能量持续增加的特殊过程。两种外加磁场方式都可以通过增加磁场达到进一步抑制次级电子倍增的目的。轴向外加磁场加载容易,但对磁场要求较高;横向外加磁场需要磁场较低,但加载较为困难。     

Development of a multipactor discharge in the output channel of a powerful pulsed gyroklystron

Reasons for microwave discharge initiation in the vacuum section of the output waveguide of a powerful gyroklystron are discussed. It is found that the discharge is located near the range of an electron cyclotron resonance. A one-sided multipactor discharge is numerically simulated in wide ranges of tilt angles and permanent magnetic fields. It is shown that the cyclotron resonance may considerably lower the multipactor discharge threshold in contrast to earlier concepts.     

介质面刻槽抑制二次电子倍增蒙特卡罗模拟

利用蒙特卡罗方法,针对介质表面刻槽抑制二次电子倍增的实验现象,进行了数值模拟研究。给出了二次电子倍增动力学方程、刻槽边界条件、二次电子初始能量与角度分布以及发射率分布关系;讨论了槽深、槽宽对二次电子倍增的抑制效果,以及同一刻槽结构对不同微波场强度和频率的二次电子倍增抑制能力;分析了双边二次电子倍增区域。数值研究结果表明:增加槽深、缩短槽宽可以抑制二次电子倍增;同一刻槽结构,更易于抑制高频场、场强较低或较高下的二次电子倍增;刻槽尺寸的选择还应避开双边二次电子倍增区间。将数值模拟结果与相关实验现象进行了对比,吻合得较好。     

腔体双边二次电子倍增一阶与三阶模式瞬态特性对比

为评估高阶模式二次电子倍增对加速器射频腔动态建场过程的影响,采用蒙特卡罗与粒子模拟相结合的方法对金属无氧铜腔体双边二次电子倍增一阶与三阶模式的瞬态演化及饱和特性进行了数值模拟对比研究.研究结果表明:二次电子倍增过程中,二次电子数目、放电电流、放电功率、沉积功率随时间呈现以指数形式快速增长后趋于饱和振荡的物理规律;相对一阶模式,三阶模式的饱和值更低且上升时间更长.放电电流存在延时现象,由此引发了二次电子倍增过程中部分充电现象的出现.统计发现平均放电功率等于平均沉积功率,三阶模式的放电功率大约是一阶模式1%的水平,由此判断加速器腔体动态建场过程中高阶模式的影响较小.二次电子倍增过程中,一阶模式呈现单电子束团加速运动特性,而三阶模式则呈现加速/减速/加速及多电子束团相向运动的复杂特性;二次电子倍增进入饱和后,三阶模式的空间电荷效应明显弱于一阶模式.     

同轴传输线微放电的统计理论稳态建模及敏感区域计算

为准确有效地预测微波器件的微放电阈值,提出了一种可以同时考虑同轴结构微放电过程中单边与双边碰撞的统计理论稳态模型.考虑到同轴结构中场分布的非均匀性以及二次电子的出射随机性,采用微扰法近似推导电子轨迹表达式,并基于电子出射速度与渡越时间之间的隐式关联性,构建用于计算同轴结构内、外导体处电子渡越时间概率分布的联合概率密度函数.通过电子出射相位分布的稳态假设,推导用于描述同轴结构中微放电倍增过程的稳态积分方程组,并提出一种通用的联立迭代求解方法.采用稳态模型分别计算银、铜、铝与阿洛丁等工程常用镀膜材料的同轴传输线微放电敏感区域,并分析了同轴传输线径比对微放电阈值的影响.与欧空局的微放电实验结果对比表明,稳态模型能够准确有效地计算同轴传输线的微放电阈值,同时发现平行平板与同轴结构微放电的敏感曲线之间存在显著差异.研究提供了一种精确有效的同轴传输线微放电阈值分析方法,并为实际工程中"免微放电"微波器件的设计与优化提供参考与依据.     

磁控溅射铂抑制镀银表面的二次电子发射

降低表面的二次电子产额是抑制微波部件二次电子倍增效应和提升功率阈值的有效途径之一,目前主要采用在表面构造陷阱结构和沉积非金属薄膜的方法降低二次电子产额,其缺点是会改变部件的电性能.针对此问题,采用在表面沉积高功函数且化学惰性的金属薄膜来降低二次电子产额.首先,采用磁控溅射方法在铝合金镀银样片表面沉积100 nm铂,测量结果显示沉积铂后样片的二次电子产额最大值由2.40降至1.77,降幅达26%.其次,用相关唯象模型对二次电子发射特性测量数据进行了拟合,获得了在40-1500 eV能量范围内能够准确描述样片二次电子产额特性的Vaughan模型参数,以及在0-50 eV能量范围内能够很好地拟合二次电子能谱曲线的Chung-Everhart模型参数.最后,将获得的实验数据和相关拟合参数用于Ku频段阻抗变换器的二次电子倍增效应功率阈值仿真研究,结果表明通过沉积铂可将部件的功率阈值由7500 W提升至36000 W,证实了所提方法的有效性.研究结果为金属材料二次电子发射特性的研究提供实验数据参考,对抑制大功率微波部件二次电子倍增效应具有参考价值.