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%.     

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.     

强流多注电子束高效率引入的模拟研究

强流相对论多注速调管相对于单注速调管具有导流系数低,输出功率高和效率高的优点,并且可以明显降低引导磁场强度,因此得到快速发展。但是其多注电子束引入漂移管效率低的问题,影响了多注速调管的整管效率,限制了其稳定高效运行和应用推广。论文采用粒子仿真软件CHIPIC对多注速调管二极管爆炸发射过程进行仿真研究,寻找影响多注速调管引入效率的主要因素,并对阴极结构进行了优化,设计出三种两段式新型多注阴极结构并进行冷阴极爆炸发射模拟研究。研究结果表明:给定参数下,常规结构由于底座边缘的不必要的环形电子束发射,只能达到82%的引入效率,而三种新型阴极结构通过抑制不必要电子发射,引入效率都可以提高至95%以上,最高达到99%。     

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。     

X波段同轴多注相对论速调管放大器的初步实验研究

为了提高相对论速调管放大器的工作频率和输出功率,结合三重轴相对论速调管和多注速调管的特点,设计了工作在X波段的同轴强流多注相对论速调管放大器,对强流多注电子束在多注器件结构中的传输、电子束经过输入腔和中间腔后的基波调制以及经过输出腔的微波提取过程进行了实验研究,得到了初步的实验结果.在输入微波功率30 kW,频率9.375 GHz,电子束电压670kV,束流5.3 kA,轴向引导磁感应强度0.8 T的条件下,得到了最大输出微波功率为420 MW,效率为12%,增益为41 dB,输出微波频率与输入微波一致.实验证实了采用同轴强流多注相对论速调管放大器实现X波段高功率微波放大的可行性,为后续更高功率研究打下了基础.     

强流脉冲电子束二极管等离子体漂移速度的研究

 强流相对论电子束二极管阴阳极等离子体的形成和漂移,是二极管工作状态研究的重要组成部分。根据Child-Langmuir定律和二极管导流系数,结合二极管阴极电子发射面积的变化模型,给出了二极管阴阳极等离子体漂移所导致的阴阳极间隙闭合速度。     

强流相对论多注电子束在空心圆柱波导中的漂移

建立了多注电子束在空心圆柱波导中传输的理论模型,定量分析了多注电子束自电磁场力与镜像电磁场力对其角向运动的影响,并推导了考虑镜像束流影响下多注电子束的布里渊磁场.开展了模拟仿真研究,模拟与理论计算结果基本一致.研究发现:当电子束注数较少且靠近波导管壁传输时,镜像电磁场力是影响多注电子束角向漂移的主要因素;随着电子束注数或电子束与波导壁间距的增加,镜像电磁场力迅速减小并趋近于零,此时自电磁场力起主导作用;在一般情况下,漂移角速度的变化百分比只与加速电压有关,与多注电子束的注数、空间位置关系等参数无关.在输出电压约670 kV,电流约7 kA,空心圆柱波导长约100 mm的平台上开展了实验研究,研究发现多注电子束存在明显的畸变,通过进一步的分析认为多注阴极柱的侧面发射是导致电子束畸变的一个主要因素,并且二极管加速区的角向漂移不可忽视.提出并模拟验证了采取倾斜多注阴极柱的方法可提高电子束的引入效率.     

多脉冲强流真空电子二极管研究

研究了猝发脉冲串条件下真空强流电子二极管状态和输出电子束参数的变化规律, 建立了阴极等离子体膨胀效应的强流电子二极管参量的方程组, 并提出了阴极等离子体柱状膨胀模型. 实验研究了猝发多脉冲电子二极管输出多脉冲强流电子束的能力和束品质的变化, 给出了以天鹅绒为阴极发射体, 阴极等离子体膨胀速度小于1cm/μs时二极管输出的双脉冲电子束包络的变化和电子束的发射度及亮度.     

强流多注相对论速调管中电子束特性的初步研究

多注速调管采用多个低导流系数的电子束并行工作，相对于常规单注结构速调管具有工作电压低、效率和增益高等特点，但多电子束特性会带来新的影响．本文基于这方面需求，对强流多注电子束在多注器件结构中的传输特性进行了理论分析、计算机模拟和初步实验研究，研究结果表明多注电子束各束之间的空间电荷力作用会使得电子束绕系统中心旋转，而各束自身的空间电荷力作用，会使得电子束绕束自身中心旋转，并发生扩散，两种作用都可能会使得电子束在传输过程中发生损失．     

新的高能注量电子束二极管系统

 为“闪光二号”加速器研制了新的二极管系统, 其电子束能注量比原二极管系统大3倍多。该系统由带滑闪开关的二极管、漂移管、脉冲磁场和真空靶室等部分组成, 通过减小阴极直径、增大轴向磁场强度和磁透镜比，调节滑闪开关距离和预脉冲开关气压等技术措施, 使二极管具有高能注量电子束输出的稳定工作状态, 在Marx发生器充电电压70kV条件下，在距阴极22cm的靶上获得了总能量21.5kJ、束斑直径52mm和能注量1.01kJ/cm²的电子束输出。     

微秒长脉冲有磁场高功率微波二极管真空界面设计

介绍了一种微秒长脉冲有磁场的真空二极管界面的设计和实验结果。采取了三种措施来抑制沿面闪络:一是阴极电子束挡板,用来拦截来自阴极和电子束漂移管的回流电子束;二是接地屏蔽板,使电场等势线和界面成约45°角,使阴极三结合点处发射的电子远离绝缘板;三是降低阴极三结合点处的场强,并使用一悬浮电位的金属环阻止电子倍增过程。计算了二极管内电场、磁场分布和电子束的运动轨迹并据此优化了真空界面的结构,实验验证了该二极管真空界面可以在400 kV、800 ns条件下正常工作,可以支持长脉冲高功率微波器件的研究。     

复合磁场引导的小型化二极管初步设计

设计了一种非浸没式小型化轴向无箔二极管,其阴极发射区位于螺线管中心孔以外,采用螺线管、永磁体和软磁体构成的复合引导磁场系统。采用CST优化设计二极管结构,使其满足800 kV电压下绝缘要求; 优化设计磁场系统结构及物理参数,使其满足引导强流相对论电子束高效率传输的要求。采用粒子模拟(PIC)软件仿真电子束产生及传输过程,验证其高传输效率。设计的阳极筒直径比原结构缩小约40%,在产生同样均匀区轴向磁场强度情况下,引导磁场重量和功耗比原结构降低约40%,仿真结果显示主引导磁场0.85 T下,8 kA电流能够实现100%传输效率。     

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%。     

X波段长脉冲同轴多注相对论速调管放大器的分析与设计

为了提高相对论速调管放大器的工作频率、输出功率以及转换效率, 结合三重轴相对论速调管和多注速调管的特点, 采用三维电磁粒子模拟软件分析与设计了工作在X波段的长脉冲同轴多注相对论速调管放大器, 通过优化设计有效地抑制了X波段长脉冲相对论速调管放大器的自激振荡, 避免了脉冲缩短现象的产生, 使X波段相对论速调管放大器在长脉冲状态下能够稳定工作, 在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA、轴向引导磁感应强度为0.8 T的条件下, 输出微波功率达到了1.23 GW, 效率为41%, 增益为42 dB.     

Low-impedance plasma systems for generation of high-current low-energy electron beams

The results of experimental investigation and numerical modeling of the generation of low-energy (tens of keV) high-current (up to tens of kA) electron beams in a low-impedance system consisting of a plasma-filled diode with a long plasma anode, an auxiliary hot cathode, and an explosive emission cathode. The low-current low-voltage beam from the auxiliary cathode in an external longitudinal magnetic field is used to produce a long plasma anode, which is simultaneously the channel of beam transportation by residual gas ionization. The high-current electron beam is formed from the explosive emission cathode placed in the preliminarily formed plasma. Numerical modeling is performed using the KARAT PIC code.