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.     

亚波长分形结构太赫兹透射增强的机理研究

利用太赫兹时域光谱(terahertz time domain spectroscopy,简称THz-TDS),研究了亚波长金属分形结构在THz波段的透射增强特性.分别从实验和理论两个方面,研究了铜箔上各级分形结构THz透射增强现象的产生机理.结果表明,在低频区的透射增强主要是由低级分形线中电子运动的共振引起的,而高频区的透射增强则主要由高级分形线中电子运动的共振引起的.从而将这种透射增强效应归结为分形结构中电子的共振辐射,即分形结构的局域共振效应. 关键词： 分形 太赫兹 透射 共振峰     

低磁场S波段相对论返波振荡器的工作特性

为了实现高功率微波发生器的小型化,开展了S波段低磁场相对论返波振荡器工作特性的研究工作。由于S波段返波振荡器频率低,对应的电子回旋共振磁场强度也很低,因此低磁场条件下面临着电子束传输效率低和束波互作用效率低两大问题。为解决上述问题,采取下列措施:通过加大电子束与器件内壁的距离,提高电子束传输效率;采用较深的慢波结构作为提取腔,实现高束波互作用阻抗;提取腔前采用浅深度慢波结构,使提取腔区域的电子速度与微波相速同步。粒子模拟证明,以上措施有效,在引导磁场强度仅为0.17 T、电子束电压435 kV、电流6.5 kA的条件下,该返波管获得功率为670 MW、效率约为25%的输出微波。相对于常规S波段相对论返波振荡器的磁场系统(B=0.8 T),适用于该返波管的0.17 T低强度磁场系统螺线管外半径下降了20%,能耗下降了约93.8%。     

Ka波段同轴多注相对论速调管的电子束引入

首先通过理论分析确定影响多注电子束引入效率的主要因素,确定初步的结构参数;其次利用三维粒子模拟软件建立Ka波段相对论多注二极管模型进行仿真优化,使电子束引入效率达到89%;并开展了电子束的产生与传输实验研究,验证了粒子模拟仿真结果。在电子束电压502 kV、束流4.34 kA、轴向磁感应强度0.76 T的条件下,电子束引入效率达到了72%,由电子束轰击尼龙靶材获得的电子束束斑图表明,电子束在产生与传输过程中形状未发生畸变,产生的电子束直径约为2 mm。模拟和实验研究验证了设计的强流多注二极管可以产生高品质的电子束和实现高效率的电子束引入。     

强流相对论多注电子束研究进展

研制了基于爆炸发射的扇形和圆柱形多注阴极系统,并开展了强流相对论多注电子束的实验研究。研究发现:扇形多注阴极由于发射端面电场分布严重不均,电子束主要由尖端发射,束斑畸变明显,当每注扇形电子束进入到多注扇形漂移管内时,在空间电磁场的作用下电子束会绕束心旋转,导致束斑的畸变和束流的损失;圆柱形多注阴极发射端电场分布相对均匀,电子束斑畸变较小,每注电子束在多注漂移管内绕束心的旋转不会引起束斑的畸变和束流的损失;由于阴极杆和多注阴极柱的发射,多注电子束品质较差,进入多注漂移管时存在电子束轰击管壁现象,造成束流的损失甚至截止。采用大内径磁场可增大阳极筒内半径,明显提高束流的传输效率。目前,采用功率约6.5 GW、传输效率约89%的相对论多注电子束驱动的多注速调管,可实现GW量级的微波输出。     

吉瓦级强流相对论多注电子束二极管的优化设计与实验研究

多注相对论速调管放大器可在较高的工作频段实现GW级功率微波产生,在很多领域得到了发展和应用.多注相对论速调管中强流相对论多注电子束相互之间存在空间电磁场的作用,使得多注电子束从二极管引入多注漂移管,以及在多注漂移管中的传输运动受到影响,导致电子束会轰击到管壁上,早期实验中多注电子束的传输通过率较低.本文对功率数GW的强流相对论多注电子束在二极管与多注漂移管中的运动过程进行了理论分析与粒子仿真模拟,得到强流相对论多注电子束的传输运动规律.对多注二极管的结构进行了优化设计,仿真设计实现强流相对论多注电子束的传输通过率达到99%,并且开展了验证实验研究,实验在电子束电压为801 kV,电流为9.3 kA的情况下,电子束的传输通过率达到92%.     

采用组合引导磁场的多注二极管设计

分析了采用单一同轴磁场时强流相对论多注阴极的侧端发射问题,研究了在不同磁场内半径和多注漂移管长度情况下多注电子束的传输效率。研究发现:由于引导磁场尺寸有限,高压下多注阴极杆及多注阴极柱的电子束发射是影响多注电子束传输效率的主要因素,且该部分电子束对多注漂移管入口管壁的轰击直接影响了多注速调管的重频能力。设计了采用永磁铁和同轴磁场组合工作的强流相对论多注二极管,理论分析和模拟计算证明:基于组合磁场的多注二极管可明显减弱甚至抑制多注阴极发射球头以外的电子束发射,并且组合磁场的磁场位形和强度可满足强流相对论多注电子束的高效、稳定传输。     

0.22THz折叠波导行波管电子光学系统设计与实验研究

设计了一套0.22THz折叠波导行波管电子光学系统,详细介绍了电子枪和周期永磁聚焦系统的设计过程,在电子枪电子束束腰与磁系统不匹配情况下,对磁场过渡区进行了优化设计,以此为基础利用磁场仿真软件对磁场进行模拟和优化,并把磁场位形代入电磁仿真软件进行电子束传输仿真,优化后的电子光学系统发射束流10mA,阴极电压15kV,束流通过率96%。通过实验验证,流通管束流通过率93%,高频样管束流通过率94%,与设计相符。高频样管实现连续波运行,功率大于0.4 W,3dB带宽大于12GHz。     

The relationship between transmission efficiencies in the FRR and fat modes of an electron spectrometer

The electron transmission efficiency as a function of kinetic energy for an electron spectrometer operating in the fixed analyser transmission (FAT) mode has been determined by direct comparison with the known transmission efficiency in the fixed retard ratio (FRR) mode. Results obtained from the background intensity and from the relative peak heights of a number of elements compare well with each other. They suggest that transmission in the FAT mode is nearly independent of kinetic energy.     

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.     

对称双势垒量子阱中自旋极化输运的时间特性

电子的隧穿时间是描述量子器件动态工作范围的重要指标. 本文考虑k³ Dresselhaus 自旋轨道耦合效应对系统哈密顿量的修正, 结合转移矩阵方法和龙格-库塔法来解含时薛定谔方程, 进而讨论了电子在非磁半导体对称双势垒结构中的透射系数及隧穿寿命等问题. 研究结果发现:由于k³ Dresselhaus 自旋轨道耦合效应使自旋简并消除, 并在时间域内得到了表达, 导致自旋向上和自旋向下电子的透射峰发生了自旋劈裂; 不同自旋取向的电子构建时间和隧穿寿命不同, 这是导致自旋极化的原因之一; 电子的自旋极化在时间上趋于稳定. 关键词： 自旋极化输运 透射系数 隧穿寿命 自旋极化率     

高效率行波管电子枪设计及其优化

 利用综合迭代法初步确定了用于高效率行波管的电子枪几何尺寸参数，考虑电子枪设计对导流系数、注腰半径、层流性等参数提出的要求，通过建立评价电子注性能优劣的目标函数以量化设计结果;应用EGUN软件和步长加速直接求优的方法对目标函数进行了优化，优化结果满足了设计要求。该电子枪已经用于制管实验，电子注静态通过率99.7%,动态通过率98.0%,电子效率达到34%，实验结果进一步验证了该电子枪设计的合理性。     

Ⅱ-Ⅵ族稀磁半导体多层结构中的自旋极化隧穿

采用转移矩阵法和Airy函数,研究了ZnSe/ZnMnSe/ZnSe/ZnBeSe/ZnSe/ZnBeSe/ZnSe异质结构的自旋极化输运。在外加偏压和磁场对电子透射系数和自旋极化率的影响方面,所得到的结论显现出复杂而有趣的特性。磁场对自旋向上和向下电子隧穿的影响是不同的:对于自旋向上情况,出现双共振向单共振转换现象。     

Electron transmission efficiency of gating-GEM foil for TPC

In a TPC, ion feedback from the readout detector can cause a space-charge effect and distort the electrical field in the drift region. Gating is one of the effective methods to solve this problem, which can block ions at the expense of losing a certain amount of primary electrons. Compared with the traditional design with a wire structure, gating based on GEM foil is more attractive because of its simplicity. In this paper, the factors in uencing the electron transmission e ciency are studied with simulations and experiments. After optimizing all these parameters, an electron transmission e ciency over 80% is obtained.     

Two－Side Electron Beam Pumping System For Hundred－Joule－Level KrF Excimer Laser

Ｔｗｏ－ＳｉｄｅＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＰｕｍｐｉｎｇＳｙｓｔｅｍＦｏｒＨｕｎｄｒｅｄ－Ｊｏｕｌｅ－ＬｅｖｅｌＫｒＦＥｘｃｉｍｅｒＬａｓｅｒ￥ＭＡＷｅｉｙｉ；ＳＨＡＮＹｕｓｈｅｎｇ；ＺＨＯＵＫｕｎｇｏｎｇ；ＷＡＮＧＹｏｕｔｉａｎ；ＺＨＡＮＧＤｏｎｇ；...     

Valley-dependent electron transport in ferromagnetic/normal/ferromagnetic silicene junction

The electron transport through ferromagnetic/normal/ferromagnetic silicene junction with an induced energy gap is investigated in this work. The energy gap can be tuned by applying electric field or exchange fields due to the buckled structure of silicene. We analyze the local electric field, exchange field, length of normal region-dependence transmission probabilities of four groups and valley conductance. These transmission probabilities and valley conductance can be turned on or off by adjusting the local electric field and exchange field. In particular, a fully valley polarized conductance with 80% transmission is found in this junction, which can be caused by the interplay of valley-dependent massive Dirac electron, the exchange potential and the on-site potential difference of sublattices. Our findings will benefit applications in silicene-based high performance nano-electronics.     

High resolution transmission electron microscopy to study very thin crystalline layers buried at an amorphous-crystalline interface

Structure characterisation of interfaces is a field of widespread application of high resolution transmission electron microscopy for its very high spatial resolution. Specimen thickness and electron optical condition have a deep influence on the high resolution electron transmission microscopy image contrast. Hence, in many cases, the real structure of the sample can be understood from experimental images only by comparison with the relevant simulation. Moreover, the understanding of the contrast variation of a few A at an interface is a task in which even the use of simulation could not produce an unequivocal solution of the experimental result. In this paper high resolution transmission electron microscopy image simulations show that two monolayers of crystalline material buried at an amorphous-crystalline interface can be successfully revealed and interpreted. The simulated images reproduce the experimental results as obtained from the Al/Si-As/n-GaAs (001) heterostructure.     

3333lp/mm X射线透射光栅的研制

针对X射线透射光栅摄谱仪中的高线密度光栅,研究了采用电子束曝光和X射线曝光技术结合制作高线密度X射线透射光栅的工艺技术.首先利用电子束曝光和微电镀技术在镂空的薄膜上制备母光栅X射线掩模版,然后利用X射线曝光和微电镀技术小批量复制光栅.在国内首次完成了3333lp/mm X射线透射光栅的研制,栅线宽度为150nm,周期为300nm,金吸收体厚度为500nm.衍射效率标定的结果表明,该光栅的占空比合理、侧壁陡直,具有良好的色散特性,能够满足空间探测、同步辐射和变等离子诊断等多个领域的应用.     

透射光栅衍射效率的通用模型

在远场条件下采用夫朗和费衍射近似,经过波动光学的计算推导,得到透射光栅各级绝对衍射效率及相对衍射效率通用计算模型. 此模型可以用来计算任意栅线截面情况下透射光栅的衍射效率. 利用此模型,分别建立了矩形、梯形和5边准梯形截面的衍射效率计算模型,并对模型正确性进行了验证. 关键词： 透射光栅 衍射效率 数值模拟     

Metamaterial polarization converter analysis: limits of performance

In this paper, we analyze the theoretical limits of a metamaterial-based converter with orthogonal linear eigenpolarizations that allow linear-to-elliptical polarization transformation with any desired ellipticity and ellipse orientation. We employ the transmission line approach providing a needed level of the design generalization. Our analysis reveals that the maximal conversion efficiency for transmission through a single metamaterial layer is 50 %, while the realistic reflection configuration can give the conversion efficiency up to 90 %. We show that a double layer transmission converter and a single layer with a ground plane can have 100 % polarization conversion efficiency. We tested our conclusions numerically reaching the designated limits of efficiency using a simple metamaterial design. Our general analysis provides useful guidelines for the metamaterial polarization converter design for virtually any frequency range of the electromagnetic waves.