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。     

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。     

3.5 MeV注入器脉冲功率系统

用于直线感应加速器的3.5 MeV注入器脉冲功率系统采用了感应叠加原理。整个系统包含了脉冲形成系统、触发系统以及感应腔负载。脉冲形成系统主要由Marx发生器和Blumlein脉冲形成线组成，产生12个脉宽约90 ns，幅度约200 kV的高压脉冲，通过12个感应腔和变阻抗阴阳极杆，在阴阳极间隙处产生3.5 MV的二极管电压，由天鹅绒阴极发射强流电子束。触发系统主要由两级触发开关构成，严格控制12个高压脉冲的输出时间，时间分散性统计值小于1 ns(动作时间抖动)。采用该脉冲功率系统注入器能产生能量约3.5 MeV，电流2～3 kA的强流电子束。     

天鹅绒阴极二极管的实验研究

 介绍了天鹅绒阴极二极管的结构及天鹅绒阴极的设计,给出了二极管参数的测量方法及结果。对三种不同材料的天鹅绒阴极进行了实验研究,获得了大面积均匀电子束,并对电子束的横向及径向均匀性进行了诊断。实验结果表明：二极管工作状态接近的条件下,3种材料的天鹅绒阴极所获得的大面积电子束均匀性相近,而与天鹅绒的材料基本无关。     

场致爆炸发射阴极有效发射面积研究

通过改变阴阳极间隙，得到在不同外加电场情况下，场致爆炸发射石墨阴极有效发射面积随时间变化的实验结果。结果表明，在起始的一定时间内，阴极有效发射面积随时间的增加而增大。阴极有效发射面积达到1.0的时间随阴阳极间隙内电场的增加而减小；当二极管阴阳极之间的平均电场约为100 kV/cm时，阴极有效发射面积达到1.0的时间约为20 ns；阴极有效发射面积相对电压波形的延迟时间随电场的变化近似呈指数衰减曲线。     

常见场致发射阴极材料的发射特性

利用三阴极加速器平台,对不锈钢、黄铜、铝、天鹅绒和石墨等几种常见场致发射材料的电流发射能力、相对启动延迟时间及其抖动进行了实验研究。实验结果表明:在二极管电压近似恒定时,不锈钢阴极启动时间延迟抖动小于8 ns,天鹅绒阴极及石墨阴极启动时间延迟抖动小于4 ns;且材料在阴极频繁工作时启动时间加快;常见金属材料中不锈钢阴极的综合性能较好;非金属材料中,天鹅绒阴极的发射能力最强,且发射延迟时间最短,但考虑到天鹅绒材料严重的出气问题,非金属材料中以石墨阴极的性能为优。     

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。     

φ100mm钪酸盐阴极实验系统及其实验结果

为获得kA级热发射电子束，研制了直径为由100mm钪酸盐热阴极组件，建立了适应大面积热阴极实验环境的试验平台。实验在二极管真空3．7×10^-5Pa，二极管电压1．95MV，阴极温度1120℃时，获得最大收集电流1038A，发射电流密度约13A／cm^2。     

猝发强流多脉冲电子束源物理设计

给出一台脉冲间隔100～1 000 ns、脉冲数2~5个、二极管电压3 MV、引出束流强度2.5 kA的猝发多脉冲电子束源的物理设计及初步调试结果。在设计中,采用感应叠加和阻抗匹配方案获得二极管高电压脉冲;试验中分别采用天鹅绒和大发射面储备式热阴极获得猝发多脉冲电子束。调试结果表明:采用大发射面热阴极可避免阴极等离子体产生,确保二极管在猝发多脉冲状态下稳定运行。初步调试获得大于2.7 MV猝发三脉冲二极管高压,并获得1.6 kA的三脉冲电子束流。     

重复频率强流电子束二极管实验研究

 采用静电场模拟对二极管结构及导引磁场位形分布进行了优化设计，利用设计的二极管在高压脉冲发生器上进行了重复频率运行实验研究，给出了相应测试波形，并对不同材料阴极、不同真空度情况下二极管的发射特性进行了比较。在二极管真空度满足一定要求（p＜0.01Pa）条件下以在重复频率方式运行时，不论是石墨阴极还是金属阴极，输出电子束流都比较稳定。设计的二极管电子束电压超过500kV，电流约5kA，脉冲宽度40ns，重复频率100Hz。     

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。     

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。     

Time-and-space resolved measurements of the emission uniformity of carbon fibre cathode in high-current pulsed discharge

The remaining challenges, confronting high-power microwave (HPM) sources and pulsed power generators, stimulate the developments of robust relativistic electron beam sources. This paper presents a carbon fibre cathode which is tested in a single pulsed power generator. The distribution and the development of cathode plasma are observed by time-and-space resolved diagnostics, and the uniformity of electron beam density is checked by taking x-ray images. A quasistationary behaviour of cathode plasma expansion is observed. It is found that the uniformity of the extracted electron beam is satisfactory in spite of individual plasma jets on the cathode surface. These results show that carbon fibre cathodes can provide a positive prospect for developing a high-quality electron beam.     

Efficiency of a planar diode with an explosive emission cathode under the conditions of delayed plasma formation

The energy and current balances in the diode unit of a high-current pulsed electron accelerator (350–500 keV, 60 ns, 250 J per pulse) are compared for an explosive emission cathode (made of graphite, copper, or carbon felt) and a multipoint (graphite or copper) cathode. The planar diode with the continuous cathode is shown to be more efficient in terms of conversion of the applied energy to electron energy (more than 90%) despite a delay in the plasma surface formation. With the impedance of the planar diode matched to the output resistance of the nanosecond generator, the efficiency of the diode does not depend on the time of plasma formation on the cathode. In the case of the graphite cathode, the plasma formation delay reduces the fraction of slow electrons in the forming electron beam and reduces electron losses in anode foil when the beam is extracted from the vacuum space of the diode chamber into the reactor.     

Experiments with a plasma-filled rod-pinch diode on the MIG generator

Experimental data for creating an X-ray source several millimeters in size on the basis of a plasmafilled rod-pinch diode are reported. Experiments are carried out on the MIG high-current generator. A voltage pulse applied to the diode is sharpened and shortened by injecting plasma into the interelectrode gap up to the plasma-filled diode. Radiation extraction from the vacuum chamber in the paraxial direction is provided by inverting the positions of the cathode and anode using a post-hole vacuum convolute. It is demonstrated that the energy of a low-impedance high-current generator can be deposited with a high efficiency into an electron beam focused on the 1-mm² tip of the rod-shaped anode. With a tapered tungsten rod 1.5 mm in diameter used as an anode, a pulsed X-ray source about 1 mm in size generating 30-ns-long pulses is obtained. The absorbed dose per pulse measured with a LiF thermoluminescent dosimeter behind a 5-mm-thick aluminum screen 1 m away from the source reaches 0.042 Gy.     

The effect of an external signal on output microwave power of a low-voltage vircator

This Letter is devoted to results of the both experimental and theoretical studies of electromagnetic radiation output power gain in the low-voltage microwave generator with a virtual cathode (vircator) under an external harmonic signal leading to the preliminary velocity modulation of the electron beam. The simple theoretical model of the electron beam with virtual cathode in a diode gap with retarding field under the external signal has been developed. The theoretical and numerical analysis have shown the possibility of power amplification in the vircator under the external influence. Obtained results of the theoretical consideration are proven by the experimental study.     

长脉冲高阻抗强流电子束二极管

 介绍了强光一号加速器长脉冲功率系统；分析了强光一号加速器长脉冲轴向绝缘高阻抗电子束二极管的管绝缘体和真空磁绝缘传输线的结构与绝缘性能；阐述了二极管工作阻抗和阴阳极的设计原则，给出了设计参数。实验研究表明：二极管电压0.75~2.6MV，电流65~85kA，电压幅值对应的工作阻抗14~44Ω，输出轫致辐射脉冲宽度100~400ns，100 cm²输出窗口的轫致辐射剂量率10⁸~2×10⁹Gy/s。     

材料表面处理用强流电子回旋共振离子源

介绍一台2.45 GHz永磁强流电子回旋共振离子源,其外径160mm,高90 mm,放电室直径70 mm,高50 mm。微波馈入采用介质耦合方式,微波窗由一块f50 mm10 mm柱形BN和两块f30 mm10 mm的柱形陶瓷构成。离子源工作在脉冲模式下,采用三电极引出系统,最高引出电压达到100 kV,在微波输入功率300 W、进气量0.4 mL/min时,可引出峰值超过30 mA的氮离子束,在距离离子源引出孔1200 mm位置处的束流均匀区直径大于200 mm。