长脉冲高功率无箔二极管动力学模拟

 从二极管设计基础出发,对高功率无箔二极管动力学特征进行了模拟分析。结果表明：电子回轰必须被隔断,不仅不能让其轰击支撑绝缘体,也不能轰击二极管管壁。在直线变压器长脉冲功率源二极管实验研究中,通过合理设计阴极屏蔽座,获得了重复频率25 Hz、功率约5 GW、功率传输系数超过95%的环形电子束输出。     

相对论返波管振荡器齿状阴极

研究了一种齿状阴极的电子束产生传输过程以及对相对论返波管振荡器产生高功率微波的影响。基于SINUS881加速器,利用束流轰击金属靶观测齿状阴极产生电子束在不同轴向位置上的角向分布,并开展了基于环形阴极和齿状阴极的X波段相对论返波管振荡器的实验研究。对不同齿数及尺寸对电子束流特性、器件输出微波功率和脉冲宽度的影响进行了分析。实验结果表明:当阴极的齿数增加到一定数量时,电子束的横向运动使得电子束在径向逐渐趋于分布均匀;与均匀环形阴极的打靶结果近似,此时,电子束对于相对论返波管振荡器产生微波的功率和脉宽影响不大。     

不锈钢电子束收集极的损伤能量密度阈值

对强磁场相对论返波管系统中电子束收集极损伤的主要影响因素进行了分析,通过设计并使用锥面不锈钢收集极,提高了收集极的耐电子束轰击能力。在单次实验条件下,研究了电子束能量密度对不锈钢收集极表面损伤及系统产生微波的影响,结合对无箔二极管中电子束空间密度分布的研究结果,给出了不锈钢收集极损伤电子束能量密度阈值范围。     

电子回流对高功率无箔二极管效率的影响

基于单电子在电磁场中的运动理论, 对某过模微波器件, 用无箔二极管通过分析其导引螺旋管磁场和电子发射区电场的分布与相互关系, 证明了电子回流与电子束传输效率密切相关。效率实验研究表明: 对大尺寸导引磁场, 不同半径薄环阴极发射电子束电功率有较大区别; 如果电子束半径小于50mm, 二极管效率大于95%;如果电子束半径大于90mm, 二极管效率小于75%。     

大面积均匀电子束产生实验研究

 在电子束泵浦气体激光实验中，大面积均匀电子束是获得高效能激光输出的必要条件。介绍了利用SPG-200脉冲功率源产生大面积均匀电子束的实验。SPG-200是基于SOS的全固态重复频率脉冲功率源，其开路电压大于350 kV。用于产生电子束的真空二极管阴极长294 mm，宽24 mm，两端均为半径为12 mm的半圆，栅网平面为阳极面，两者之间的距离在0~49 mm可调，阴极发射的电子束通过用于隔离激光气室和二极管真空室的压力膜及其支撑栅网引出。分别以石墨和天鹅绒为阴极材料，获得了大面积电子束输出，给出了二极管参数的测量结果，并对电子束发射均匀性进行了诊断。实验结果表明：在阴极材料为石墨、阴阳极间隙为5~9 mm时，二极管电压为240~280 kV，二极管电流为0.7~1.8 kA，输出的电子束很不均匀；在阴极材料为天鹅绒、阴阳极间隙为31~46 mm时，二极管电压为200~250 kV，二极管电流为1.5~1.7 kA，输出的电子束均匀性较好。     

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。     

轫致辐射中电子束焦斑漂移现象的抑制

电子束焦斑偏离轴线中心的现象严重影响器件辐射效应实验的效率。介绍了一种简单有效的抑制电子束焦斑偏心的方法,研制了一种小尺寸不锈钢阴极,比较了不锈钢阴极和传统环形天鹅绒阴极在"强光一号"装置上的实验结果。实验结果表明对于小尺寸不锈钢阴极,最大辐射剂量位于靶面中心的概率为67%,位于35mm圆圈内的概率为100%。相比传统环形天鹅绒阴极(最大剂量落于中心位置的概率约20%,有60%以上概率偏离中心2~3cm)的实验统计数据,焦斑的偏心现象得到明显的抑制。     

磁场引导双电子束传输模拟和实验研究

 利用外加纵向磁场把单台加速器驱动双阴极二极管产生的同步双电子束引出双漂移管,是双电子束实用化的关键环节。在实心束情况下,对双电子束约束磁场进行了3维PIC模拟。在粒子模拟的基础上搭建了双电子束磁场引导系统,进行了磁场引导环形双电子束传输实验研究,在二极管电压约380 kV时,环形双束流值分别为5.10 kA和4.92 kA。实验结果表明,所设计磁场系统能够对环形双电子束进行有效约束,有效约束磁场约0.5 T。     

x强流相对论环形电子束在低磁场中传输分析

 用理论和粒子模拟相结合的方法分析了强流薄环形相对论电子束在低磁场导引下，在均匀波导，无箔二极管，以及锥形波导和渐减磁场位形条件下的传输过程，研究了束包络的波动和如何减少波动的问题。分析表明：在无箔二极管中一个适当渐增的磁场位形可以有效地抑制束电子的径向运动，从而减少电子在波导中的波动幅度；电子束在锥形波导和渐减磁场位形中运动，不会增加束电子的波动。因此适当的磁场位形可以降低微波器件对导引磁场的要求，有利于实现永磁包装微波器件。     

无箔二极管的设计与静态数值模拟

 设计并完成了一无箔二极管,该二极管预计产生1MV、20ns、10kA以上的空心脉冲电子束。研究了无箔二极管的静态数值模拟方法,求得完全的自洽解。利用编制的程序对设计的无箔二极管进行了数值模拟,对结果进行了讨论。     

L波段相对论速调管放大器研究

 介绍了L 波段强流相对论速调管放大器高频系统的设计, 强流相对论空心电子束的产生、传输、调制及微波输出等的初步实验结果。在直线感应加速器上, 利用无箔空心石墨阴极, 引出了电压约500kV、电流4. 5kA、直径54. 5mm、厚度4. 5mm 的空心电子束, 经过三腔放大后, 得到了536MW 的微波峰值功率, 效率21% , 增益30dB。     

Relativistic electron beam generation in a plasma-filled diode withfoilless injection into a dense plasma

In the experiments an relativistic electron beam (REB)-plasma interaction, the foilless injection of REB from a magnetized diode is of special interest due to the low spread angle of the beam and high repetition rate of the shots. In the experiments presented, the problem of diode shortening in the presence of a dense plasma from the interaction chamber has been solved using a special drift pipe as an anode of the foilless diode. The electron beam (U_d~0.7 MeV, t _b~100-200 ns) produced by an axially symmetric magnetically insulated diode has been injected into a magnetized hydrogen plasma column with density ranging from 1·10¹⁵-3·10 ¹⁶ cm^-3. It has been found that the anode pipe substantially reduces the plasma flow into the diode gap, but does not stop it completely, thus the REB generation in a plasma-filled diode has taken place. In some regimes of the beam generation it becomes possible to increase significantly the injected current and total energy deposition of the beam in comparison with the case of a vacuum magnetized diode of the same geometry. The experiments have shown effective dense plasma heating under the foilless injection     

无箔二极管结构设计研究

用数值计算方法研究了无箔二极管中几何结构参量对束流的影响，得出了无箔二极管结构参数选择的部分规律，同时又结合实际给出了一个无箱二级管模型的最佳组合参数．     

强流短脉冲相对论速调管放大器实验研究

 利用无箔空心石墨阴极和0.65T的脉冲引导磁场，从Sinus加速器二极管引出了电压约750kV、电流约8.6kA、脉宽40ns的环形电子束，经过输入腔和中间腔间隙调制后,得到了7kA/43ns的基波调制电流，经过输出腔间隙后，得到了2.1GW/15ns的最大微波输出功率，束波转换效率33％，最高增益为40dB,并发现脉冲缩短现象。     

Study of Intense Electron Beams Produced by High-Voltage Pulsed Glow Discharges

We report the generation of high-current-density (20 A/cm2) pulsed electron beams from high-voltage (48-100 kV) glow discharges using cathodes 7.5 cm in diameter. The pulse duration was determined by the energy of the pulse generator and varied between 0.2 ?s and several microseconds, depending on the discharge current. The largest electron beam current (900 A) was obtained with an oxidized aluminum cathode in a helium-oxygen atmosphere. An oxidized magnesium cathode produced similar results, and a molybdenum cathode operated at considerably lower currents. A small-diameter (<1 mm) well-collimated beam of energetic electrons of very high current density (>1 kA/cm2) was also observed to develop in the center of the discharge. Electrostatic probe measurements show that the negative glow plasma density and the electron beam current have a similar spatial distribution. Electron temperatures of 1-1.5 eV were measured at 7 cm from the cathode. The plasma density (8.5 · 1011 cm-3 at 450 A) was found to depend linearly on the discharge current. In discharges at high currents a denser and higher temperature plasma region was observed to develop at approximately 20 cm from the cathode. We have modeled the process of electron beam generation and predicted the energy distribution of the electron beam. More than 95 percent of the electron beam energy is calculated to be within 10 percent of that corresponding to the discharge voltage.     

重复频率强流电子束的产生和传输实验研究

 电子束真空二极管重复频率运行时，它将表现出与单次运行时不同的特点。在电子束产生过程中，屏蔽半径应尽可能地小，且击穿延时时间较短，故选择石墨作为阴极材料。实验结果表明：在重复频率运行时，当环型阴极环厚较薄时，阴极的发射电流密度较大，因此对阴极的加热效应也加强，等离子体的膨胀速度加快，从而使得二极管阻抗减小，最后几次输出的电子束的电流较大，而电压减小；当重复频率较高时，由于加热效应使得阴极等离子体膨胀速度加快，最后几个脉冲阴极发射能力增强，波形重复性变差；当引导磁场强度增大时，阴极等离子体受到较大的磁场力约束，横向膨胀速度减慢，从而使得电子发射面积减小，总发射电流减小，二极管的阻抗增大。最后取引导磁场为1.5 T，阴极环厚为1 mm，得到重复频率100 Hz、束压827 kV、束流8.22 kA、脉冲波形之间重复性很好的均匀电子束输出。