重复脉冲强流电子束传输技术研究

分析并推导出了环形强流电子束的稳定传输条件，通过静电磁场模拟计算对CHP01强流电子加速器二极管引导磁场的位形分布、幅值大小及磁场电源进行了优化设计.经实验调试及束斑测量，表明设计的1秒磁场满足束流稳定传输条件，能使电压800kV、电流8kA、脉冲宽度40ns、脉冲重复频率100Hz的环形强流电子束稳定传输，并已成功运用于CHP01强流电子加速器束流传输系统. 关键词： 束流传输 引导磁场 二极管 重复脉冲 电子束     

“先进磁控管技术”专题出版前言

正磁控管是利用电子在正交电场和磁场中做漂移运动的原理而将电子束能量转换为微波能量的一种真空电子器件。由于磁控管具有体积小重量轻、功率转换效率高、频率调谐能力强、便于永磁包装等优点,因此在雷达与通讯、电子对抗、电子加速器、工农业生产、微波加热、医学等领域具有广泛的应用前景。     

全腔输出半透明阴极相对论磁控管的结构改进和性能提升

对全腔输出半透明阴极相对论磁控管做了进一步的改进,并对其进行了物理分析和三维全电磁粒子模拟研究。通过半透明阴极结构的改进,即改变阴极角向方位和阴极发射面高度参差设计以及局部参数优化,使得在较宽的工作参数范围内,器件起振初期可能出现的模式竞争得到抑制,起振时间进一步缩短,同时输出效率得到较大提高。在注入电子束电压和电流分别约为518 kV和4.1 kA、外加磁场为0.575 T时,模拟在S波段获得了效率大于66%、功率约1.42 GW的微波输出。同时还给出了电子束电压和外加磁场等参数在一定范围内变化时对输出性能的影响规律。研究结果可应用于高效紧凑型相对论磁控管的实验研究。     

一种5.8 GHz磁控管粒子模拟

 借助3维粒子仿真软件对一种新型18叶片5.8 GHz磁控管进行了动态模拟,比较了爆炸式发射与电子注发射的不同。利用磁路电子注发射方式针对不同的阴极发射电流进行了动态模拟,得到了不同发射电流条件下磁控管的工作特性。同时,利用FEMM仿真软件对磁控管磁路进行了仿真,得到了磁控管互作用空间的磁场分布,并在此基础上,对非均匀磁场下磁控管动态性能进行了模拟。     

1.5特斯拉脉冲磁场装置的研制

本文介绍了用于控制强流相对论电子束能通量密度和均匀性的脉冲磁场装置。该装置由磁场电源、磁场线圈及电子束漂移管等组成。脉冲磁场是由储能电容器通过六个触发真空开关对线圈放电产生的。电容器总储能为180kJ,最大充电电压为10.0kV,脉冲磁场上升前沿约为8.38ms。在充电电压为7.0kV时,测得磁感应强度为1.81T。本文还对不同靶材料对磁感应强度分布的影响进行了研究,并简单介绍了主机与磁场的同步装置。脉冲磁场装置已用于闪光Ⅱ号加速器中,经过上百炮运行证明其工作比较可靠,并达到了控制电子束能通量密度和改善束均匀性的目的。     

蒙特卡罗模拟分析电子束发射度对照射量空间分布影响

加速器靶前正前方1 m处的照射量是衡量加速器光源辐射能力的重要物理参量。电子束轰击高原子序数靶产生的X射线空间分布具有很强的前冲性,照射量空间分布与电子束的发射度密切相关。采用高斯函数对不同电子束发射度条件下入射电子的空间分布和角度分布进行建模。应用蒙特卡罗方法对电子束打靶的轫致辐射过程进行模拟,分析电子束发射度对照射量的影响。同时还对整靶结构和叠靶结构下的轫致辐射光源照射量进行计算比较。结果表明,电子束的发散角是影响轫致辐射光源照射量的主要因素。与采用整靶结构相比,采用叠靶结构所获得的照射量空间分布基本一致,在正前方小角度范围内（0~4）的照射量有2%~3%的降低。     

电子直线加速器磁控管频率稳定的自适应线性神经元方法

 电子直线加速器电子束能量的稳定与否取决于功率源工作频率的稳定性,磁控管在短时间内的散谱和轻微跳谱造成稳频系统的控制精度下降,最后电子束的扫描均匀度下降。引入自适应线性神经元方法(ADALINE)和噪声对消技术以消除对工作频率长期稳定性的影响,从而保证了电子束的扫描均匀度。     

低阻抗二极管产生的强流电子束能谱分布的数值模拟

 给出了低阻抗二极管产生的电子束能谱分布及外加磁场对二极管阻抗影响的数值模拟研究结果。结果表明，即使在外加电压恒定的条件下，二极管产生的电子束也具有一定的能谱分布，这说明用二极管电压、电流波形计算脉冲电子束能谱分布是不正确的。另外,外加磁场对低阻抗二极管的阻抗特性具有较大影响，其阻抗随外加磁场的增大而减小。分析认为这是由于外加磁场强度的变化改变了二极管中束电子的运动轨迹。当没有外加磁场或外加磁场较小时，低阻抗二极管产生的电子束发生自箍缩，此时二极管电流是自箍缩饱和顺位流；当外加磁场足够强时，电子束的自箍缩被抑制，二极管电流是没有箍缩时的空间电荷限制电流。束电流小于自箍缩临界电流的二极管其阻抗将不随外加磁场的变化而变化。     

神龙一号轫致辐射靶靶区回流离子测量

神龙一号直线感应加速器(LIA)产生的强流高功率的脉冲电子束与X光转换靶作用后可以产生高剂量的X光,同时由于转换靶的被烧蚀破坏在靶面产生回流离子,该回流离子的存在影响到电子束的聚焦。设计了4套法拉第筒及其对应的偏压电路,法拉第筒被放置在神龙一号X光转换靶上游不同位置,分布在电子束轴线两侧,电路设计最高偏压为1 kV;对神龙一号LIA的X光转换靶面产生的回流离子进行了实验测量,分别得到回流正离子密度约在1021/m3,离子运动速度可达2～3 mm/s。计算比较表明,该离子流强度与神龙一号靶前电子束流相差很大,只有电子束流强的0.27%,对神龙一号电子束聚焦不会造成影响。     

任意时间分布电子束与单间隙微波腔的非线性自洽过程研究

将电子束作为激励源，根据Maxwell方程和电子受到的洛伦兹力，给出了描述工作模式在电 子束作用下的激励方程和电子束电子在工作模式作用下的运动方程（即微波谐振腔中电子束 与微波场相互作用的自洽方程组）.根据该自洽方程组，进一步研究了任意时间分布电子束 与单间隙微波腔的相互作用.通过分析微波腔中电子束与微波作用的线性和非线性过程，给 出了电子束调制深度、微波腔作用间隙对微波输出功率的影响.最后从理论上给出了影响微 波输出功率的综合物理参量. 关键词： 微波腔 模式 自洽方程 单间隙微波腔     

“神龙一号”加速器聚焦磁场准直

 “神龙一号”是一台正在建造中的脉冲强流加速器。这台加速器的主体由72个直线感应加速腔和18个用于测试和真空泵接口的多功能腔组成。为获得高品质的电子束流，减小发射度的增加，抑制corkscrew的增长，聚焦磁场的磁轴准直精度要求很高。在使用激光跟踪仪对机械轴进行准直的前提下，脉冲悬丝技术被应用于准直加速段聚焦磁场，并在磁轴准直测试的同时对磁场固有倾斜偏差（tilt）进行初步校正。介绍和讨论了测试方法，测试精度以及测试结果。     

Axial electric wake field inside the induction gap exited by the intense electron beam

While an intense electron beam passes through the accelerating gaps of a linear induction accelerator,a strong wake field will be excited.In this paper a relatively simple model is established based on the interaction between the transverse magnetic wake field and the electron beam,and the numerical calculation in succession generates a magnetic wake field distribution along the accelerator and along the beam pulse as well.The axial electric wake field is derived based on the relation between field components of a resonant mode.According to some principles in existence,the influence of this field on the high voltage properties of the induction gap is analyzed.The Dragon-I accelerator is taken as an example,and its maximum electric wake field is about 17 kV/cm,which means the effect of the wake field is noticeable.     

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.     

Axial electric wake field inside the induction gap exited by the intense electron beam

While an intense electron beam passes through the accelerating gaps of a linear induction accelerator, a strong wake field will be excited. In this paper a relatively simple model is established based on the interaction between the transverse magnetic wake field and the electron beam, and the numerical calculation in succession generates a magnetic wake field distribution along the accelerator and along the beam pulse as well. The axial electric wake field is derived based on the relation between field components of a resonant mode. According to some principles in existence, the influence of this field on the high voltage properties of the induction gap is analyzed. The Dragon-I accelerator is taken as an example, and its maximum electric wake field is about 17 kV/cm, which means the effect of the wake field is noticeable.     

Electron acceleration in the inverse free electron laser with a helical wiggler by axial magnetic field and ion-channel guiding

Electron acceleration in the inverse free electron laser (IFEL) with a helical wiggler in the presence of ion-channel guiding and axial magnetic field is investigated in this article. The effects of tapering wiggler amplitude and axial magnetic field are calculated for the electron acceleration. In free electron lasers, electron beams lose energy through radiation while in IFEL electron beams gain energy from the laser. The equation of electron motion and the equation of energy exchange between a single electron and electromagnetic waves are derived and then solved numerically using the fourth order Runge-Kutta method. The tapering effects of a wiggler magnetic field on electron acceleration are investigated and the results show that the electron acceleration increases in the case of a tapered wiggler magnetic field with a proper taper constant.     

电子在激光驻波场中运动产生的太赫兹及X射线辐射研究

采用单电子模型和经典辐射理论分别对低能和高能电子在线偏振激光驻波场中的运动和辐射过程进行了研究. 结果表明: 垂直于激光电场方向入射的低速电子在激光驻波场中随着光强的增大, 逐渐从一维近周期运动演变为二维折叠运动, 并产生强的微米量级波长的太赫兹辐射; 高能电子垂直或者平行于激光电场方向入射到激光驻波场中, 都会产生波长在几个纳米的高频辐射; 低能电子与激光驻波场作用中, 激光强度影响着电子的运动形式、辐射频率以及辐射强度; 高能电子入射时, 激光强度影响了电子高频辐射的强度, 电子初始能量影响着辐射的频率; 电子能量越高, 产生的辐射频率越大. 研究表明可以由激光加速电子的方式得到不同能量的电子束, 并利用电子束在激光驻波场的辐射使之成为太赫兹和X射线波段的小型辐射源. 研究结果可以为实验研究和利用激光驻波场中的电子辐射提供依据.     

激光辐照金属丝产生电子束的发散度

研究了激光辐照金属丝产生电子束的自身磁场对其发散度的影响。通过理论分析和量级估算得到:电子在金属丝附近运动时,同时受到金属丝电场和自身磁场的作用,聚集效应明显;当电子离开金属丝后,空间电荷效应的库仑排斥作用与自身磁场的聚集作用量级相当,近似认为可以保持已经具有的发散度。利用经典轨迹蒙特卡罗方法模拟了该过程,计算结果表明自身磁场可以解释电子束的发散度及其对金属丝长度的依赖关系。     

Overview of plasma-based accelerator concepts

An overview is given of the physics issues relevant to the plasma wakefield accelerator, the plasma beat-wave accelerator, the laser wakefield accelerator, including the self-modulated regime, and wakefield accelerators driven by multiple electron or laser pulses. Basic properties of linear and nonlinear plasma waves are discussed, as well as the trapping and acceleration of electrons in the plasma wave. Formulas are presented for the accelerating field and the energy gain in the various accelerator configurations. The propagation of the drive electron or laser beams is discussed, including limitations imposed by key instabilities and methods for optically guiding laser pulses. Recent experimental results are summarized     

相对论电子束在角向磁场中产生硬X射线的实验研究

 在闪光二号加速器上用相对论电子束在低压气体和角向磁场中传输打靶的方法，进行了硬X射线产生的实验研究。在47cm传输距离上，电子束与钽靶作用，获得了面积积分剂量率为2.1×10¹⁰Gy·cm²/s的硬X射线辐射（能谱范围为20～120keV），在总的辐照面积上(4π方向)面积积分剂量达1 843Gy·cm²，X射线转换率达到108Gy·cm²/kJ。     

第二讲激光尾波场加速中的准单能电子束的产生

自从激光尾波场加速电子方案提出以来，经过二十多年的理论和实验研究，人们在激光尾波场加速方面已经取得了重大进步，相继在电子束能量、电子单色性等束流性能上取得重大突破．特别是在2004年对电子束的单色性研究取得重大突破，国际上几个著名实验室相继报道了准单能电子束产生的实验观测，掀起了激光尾波场研究的新高潮．对于准单能电子束的产生机制，虽然尚未达成统一认识，但普遍认为空泡加速可能是其中非常重要的机制之一．文章介绍了激光尾波场的基本概念，着重介绍了单能电子束产生的空泡加速模式里的两个关键物理过程：波破和电子的自捕获，同时介绍国际上相关的一些重要实验结果和理论进展．