阴极强流多脉冲发射特性研究

实验研究了几种阴极的强流猝发多脉冲发射特性. 研究结果表明, 天鹅绒阴极产生的猝发强流双脉冲电子束亮度优于1×10⁸A/(m.rad)², 而直立碳纤阴极产生的强流三脉冲电子束的亮度也优于3×10⁷A/(m.rad)², 并有进一步提高的可能. 新型的冷场致发射阴极如纳米金刚石膜阴极和纳米碳管阴极也具有强流发射能力, 实验得到的发射电流密度大于50A/cm².文中还给出的大发射面储备式热阴极的实验结果, 并对相关阴极实现稳定强流多脉冲发射的研究方向和应用前景进行了分析.     

多脉冲电子束发射度测量

采用多孔板并结合电子束在石英片相互作用产生的契仑柯夫辐射,对以天鹅绒为阴极发射的强流多脉冲电子束发射度和亮度进行了实验研究和测量。实验观测到了有外加磁场条件下的电子束发生旋转现象。对于电子能量为600 kV左右的电子束,多孔板处的磁场小于2.7 mT时,电子束元的偏离已经小于2°。分别测量了天鹅绒阴极发射的强流四脉冲电子束和双脉冲电子束的积分亮度,分别为7.5×107A/(m.rad)2和4.14×108A/(m.rad)2。结果表明,双脉冲电子束的积分亮度明显优于四脉冲电子束的积分亮度,进而验证了阴极等离子体对多脉冲电子束亮度具有重要影响,降低了电子束的品质。     

天鹅绒阴极产生的双脉冲强流相对论电子束特性实验研究

在时间分辨的模式下, 实验研究了天鹅绒阴极产生的双脉冲相对论强流电子束的束心运动、束包络和束的发射度. 在实验中, 电子束流强度和电子束心运动用电阻环进行测试, 而电子束和石英玻璃的相互作用产生的契仑科夫辐射用来给出电子束包络和发射度信息. 电子束和石英玻璃作用产生的契仑科夫辐射用1台8幅分幅相机记录. 实验结果表明, 天鹅绒阴极产生的相对论强流双脉冲电子束在束流大小、束心运动轨迹、束包络及束发射度等方面具有较好的一致性.     

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.     

双脉冲电子束源实验研究

 利用现有2MeV直线感应注入器，通过改造，将其次级功率源和8个感应腔分成2组，使之交替工作，建立了一台双脉冲电子束源。二极管电压脉冲幅度达到1MeV，电子束脉冲持续时间为120ns，脉冲间隔可以根据需要在100~500ns间进行调节。实验结果表明：该双脉冲电子束源可以产生双脉冲电子束，其电压幅度差值小于2%，束流可达3kA，并且工作稳定，利用该装置可以进行多脉冲二极管物理和天鹅绒多脉冲发射特性实验研究。     

碳纳米管阴极强流脉冲发射特性实验

 在2 MeV直线感应加速器注入器平台上研究了采用浸渍涂覆方法制备的大面积碳纳米管阴极发射体的强流发射特性。研究结果表明：在脉冲高压电场下,碳纳米管阴极具有强流电子束发射能力,发射电流密度较大;碳纳米管阴极发射电子过程为场致等离子体发射。实验过程中,阴极端取样电阻环收集到的最大发射电流达350 A,阳极端法拉第筒收集的发射电流为167 A,最大阴极发射电流密度为19.4 A/cm²。     

天鹅绒阴极发射性能的实验研究

在长脉冲(50～100ns)和短脉冲(3ns)条件下,我们对天鹅绒阴极的发射性能进行了实验研究。其阴极电流密度分别为400A/cm~2和7kA/cm~2。 我们分别测量了电流-电压曲线,使用Cherenkov效应得到了阴极发射图象,得到了天鹅绒纤维的扫描电镜照片并测量了天鹅绒阴极的实验结构。在此基础上讨论了天鹅绒阴极的发射机理。     

重复脉冲强流电子束源长时间稳定运行实验研究

 简要阐述了脉冲变压器型重复脉冲强流电子束加速器CHP01的组成、主要特点及工作原理，利用设计的重复脉冲强流电子束源进行了长时间运行实验研究，实验结果达到：在100 Hz重复频率下连续运行5 s，脉冲变压器能稳定输出电压1.15 MV,强流束二极管输出电压超过800 kV、束流7 kA、脉冲宽度45 ns，阴极电子发射密度超过10 kA/cm²，且运行稳定可靠。利用该电子束源进行了X波段类周期慢波结构微波器件实验研究，在50 Hz重复频率下连续运行5 s，输出微波功率超过1 GW，脉冲宽度大于25 ns。     

碳纳米管阴极的短脉冲爆炸场发射与等离子体膨胀

采用碳纳米管制备了一种强流电子束发射阴极,并对碳纳米管阴极在双脉冲条件下的强流发射性能进行了研究.在双脉冲条件下获得了245 A/cm²的强发射电流密度,阴极的开启时间约为40 ns.采用高速分幅相机和CCD相机对强流电子束在空间和时间的分布进行了研究.研究表明连续脉冲实验时,离子体及其膨胀对发射电子束的强度和分布影响很大,双脉冲时脉冲间隔时间内等离子体的膨胀速率约为8.17 cm/μs.等离子体形成时没有优先位置,电子束发射的局部增强位置是随机的.结果表明碳纳米管阴极可以作为强流阴 关键词： 碳纳米管 爆炸场发射 等离子体膨胀 强流电子束     

平面二极管爆炸发射阴极特性实验研究

 在电压0.6~1.0 MV,脉冲重复频率为100 Hz条件下,实验研究了爆炸发射阴极的有效发射面积、平均发射电流密度、二极管阻抗、电子束能量损耗机制等特性。结果表明：阴极有效发射面积随时间呈方波变化,在脉冲开始后5 ns内有效发射面积基本达到稳定。在碳纤维、天鹅绒、石墨、不锈钢4种阴极材料中,碳纤维阴极有效发射面积最大且变化相对稳定,并且碳纤维阴极具有最大的平均发射电流密度。二极管阻抗随着阴阳极间隙的增加并非呈平方关系增加,而是呈线性增长,阻抗失配是降低电子束能量传输效率的主要机制。     

Velvet＇s multi-pulsed emission and multi-pulsed electron beams

The velvet electron emission characteristics and beams＇ brightness are investigated with a multi-pulsed mode. The results indicate that in the multi-pulsed mode the velvet emission is not uniform and the periphery emission is much stronger than that from the centre. The periphery emission contributes much more to the formation of the cathode plasma than the centre emission, which leads to diode impendence breakdown. The relationship between the cathode plasma expansion and the initial emittance of the cathode is deduced to describe the characteristics of the multi-pulsed vacuum diode. The emittance of the multi-pulsed beams is measured to be less than 1000mm·mrad. The brightness of the electron beams is better than 1× 10^8A/（m·rad）2.     

Multi-pulsed intense electron beam emission from velvet,carbon fibers,carbon nano-tubes and dispenser cathodes

The experimental results of studies of four kinds of cathode emitting intense electron beams are demonstrated under multi-pulsed mode based on an experimental setup including two multi-pulse high voltage sources.The tested cathodes include velvet,carbon fibers,carbon nano-tubes(CNTs)and dispenser cathodes.The results indicate that all four are able to emit multi-pulsed beams.For velvet,carbon fiber and CNTs,the electron induced cathode plasma emission may be the main process and this means that there are differences in beam parameters from pulse to pulse.For dispenser cathodes tested in the experiment,although there is a little difference from pulse to pulse for some reason,thermal-electric field emission may be the main process.     

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．     

Predicted emittance and brightness of the pseudospark electron-beam

The emittance and brightness of the electron beam generated during the hollow cathode phase of pseudospark operation are calculated using the two-dimensional hybrid fluid-particle model previously developed to study the time and space development of the plasma in a pseudospark discharge. Two distinct energy components exist in the electron beam; a high-energy component with an energy equivalent to the full discharge voltage and another, broad, low-energy component. In the 100 ns following breakdown and for the conditions of the calculations, the emittance of the high energy component decreases by an order of magnitude and the brightness of the high energy component reaches almost 10¹⁰ A/m² rad². This work demonstrates the feasibility of using the model to guide the optimization of the pseudospark electron beam properties and shows that the optimum beam properties are achieved after the plasma has filled the hollow cathode and begun to expand radially in the main gap     

1 MV阳极杆箍缩二极管数值模型实验研究

阳极杆箍缩二极管（RPD）具有小焦斑、高亮度的特点,是闪光X光机领域的研究热点。基于Marx发生器和脉冲形成线技术路线产生1 MV高电压脉冲驱动RPD,开展了不同结构参数二极管实验研究。基于RPD物理过程的数值模型,分析了结构参数对箍缩物理过程的影响。研究表明在1 MV电压下,RPD阴极等离子体平均扩散速度、阳极等离子体平均扩散速度分别为2,0.6 cm/μs时,该模型可以较好地描述实验结果。在阳极杆直径一定的情况下,二极管数值模型表明减小阴极孔径可以使二极管更快进入强箍缩状态,但过小的阴极孔径会导致二极管间隙过早闭合。     

强流电子二极管中阴极等离子体的膨胀

研究了强流四脉冲条件下电子真空二极管中阴极等离子体产生、膨胀和由于阴极等离子体膨胀导致二极管短路现象，通过所建立模型和大量实验数据给出了阴极等离子体膨 胀速率为0.5—4cm/μs，且脉冲过程中不均匀.分析了阴极等离子体膨胀对真空二极管电压、阻抗的影响和对多脉冲强流电子束参数的影响，并给出初步解决方案. 关键词： 多脉冲二极管 阴极等离子 膨胀速率     

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.     

第四讲 超强激光脉冲与等离子体相互作用中高能离子的产生

近几年来，由于高功率激光技术的不断发展，利用超强激光脉冲与等离子体相互作用产生高能离子束的研究得到了极大推动．实验和理论模拟均发现，在超强激光脉冲与等离子体相互作用过程中，可以产生高亮度、小尺寸、方向性好的高能质子束和高能重离子束．这种基于超强激光的高能离子源在先进离子束成像技术、惯性约束聚变混合“快点火”、新型台面离子加速器以及医疗等方面都有很诱人的应用前景．文章主要介绍了超强激光与固体靶相互作用中高能离子束（尤其是质子束）的加速机制、高能离子束特性、常用测量方法及其潜在应用，并对最新的研究进展进行了简单介绍．