周期会切磁场聚焦强流相对论带状电子束的理论分析和粒子模拟

对低幅值、短周期、有偏置磁极的周期会切磁场中300 keV,3 kA带状电子束的传输进行了理论分析和粒子模拟。给出了将波导宽度考虑在内的轴向均匀带状电子束的空间电荷场和作用在有限厚度的带状电子束的短边和宽边上的聚焦力的表达式,并利用束匹配的方法得到了磁场的幅值和周期,以及电子束通道的宽度和高度等参数。最后根据理论计算的结果进行了3维粒子模拟验证,结果表明:束宽边上聚焦良好,而在短边上带状电子束的轴向有限长效应使得聚焦力与散焦力沿轴向不能完全匹配,在束包络上产生了Betatron振荡,但在300 mm的距离上传输效率仍能达到98%以上,说明有偏置磁极的周期会切磁场聚焦强流带状电子束在理论上是可行的。     

准矩形截面强流相对论带状电子束的传输

提出利用准矩形截面带状电子束传输强电流.相对于目前广泛采用的椭圆形截面带状电子束,在大横纵比,即电子束的宽度(横向)远大于厚度(纵向)的情况下,其厚度沿横向更加均匀,利用冷阴极爆炸发射容易产生.该电子束利于高功率微波发生器中腔体模式的控制和束波作用效率的提高,如果利用模块化的结构还可使阴极及聚焦磁铁在宽度上的扩展更加容易.首先给出了准矩形截面带状电子束空间电荷场的典型分布,然后根据该分布和束匹配的方法对相互独立的周期会切磁铁和边聚焦磁铁分别进行了设计.其中边聚焦磁铁的磁化方向与以往的纵向不同,为横向磁化,其激励的边聚焦磁场在电子束宽边的边缘附近的梯度更大,有利于横向的束匹配.最后根据理论分析的结果进行了粒子模拟.结果表明,300keV,3kA的准矩形截面强流相对论带状电子束可以在0.163T的周期会切磁场和0.064T的横向磁化边聚焦磁场中稳定传输,电流传输效率大于98%.     

偏置磁极周期会切永磁场的理论分析

采用不同的近似方法对用于聚焦带状电子束传输的偏置磁极周期会切永磁场进行了理论分析,得到了两种不同形式的解析表达式,分别适用于数值计算和理论分析.首先,为了对偏置磁极周期会切永磁铁进行快速而又精确地数值仿真,利用表面电流带模型对其进行等效,得到了其激励的偏置磁极周期会切永磁场的解析表达式,并借助算例说明了表面电流带模型应用于等效偏置磁极周期会切永磁铁开展优化设计的高效性.然后,为了便于在将来开展对带状电子束传输的理论分析,按传统方法将偏置磁极周期会切永磁场分为两部分,一部分是磁极的无偏置部分激励的周期会切磁场,基于已知的场分布对其采用待定系数法进行了求解,另一部分是磁极的偏置部分激励的非周期的边聚焦磁场,对其采用双层磁荷面模型等效磁极偏置部分的方法进行求解,分别得到了简明而又相对精确的解析表达式,这两部分表达式的叠加即为偏置磁极周期会切永磁场的解析表达式.这些结果可用于偏置磁极周期会切永磁聚焦带状电子束传输问题的研究.     

关于闭合及偏置PCM结构约束带状电子注可行性的研究

通过理论分析和数值计算证明了闭合PCM结构可以在窄边和宽边两个横方向上对接近真实情形的带状注束流进行有效约束,实现电子注的长距离稳定传输.提出了匹配电子注宽边方向横向磁聚焦力与带状注内空间电荷力的方法,这可用于确定闭合PCM聚焦结构的纵向周期长度以及截面尺寸.所做计算还显示出闭合PCM结构横截面的宽边方向尺度可以独立调节以达到最优的匹配.此外,进一步证明了偏置PCM结构不能有效约束带状电子注.本工作表明闭合PCM结构用于限制带状注束流具有很大潜力并且有助于指导实际的工程实践.     

带状电子束的空间电荷场

 利用理论分析和数值计算的方法研究了矩形波导内均匀电流密度的带状电子束模型的空间电荷场,给出了该带状电子束模型的空间电荷场的解析表达式,并研究了空间电荷场随带状电子束的几何参数和物理参数的变化规律。研究表明：在不改变电流密度的前提下,更宽的电子束可以传输更强的束流,而空间电荷场并不随束宽度的增大而增大,但是增加电子束厚度会使空间电荷场显著增强,从而不利于高流强电子束的传输;对于相同电流的带状电子束,保持电子束厚度不变,增大电子束宽度,相应地降低电流密度是降低空间电荷场的一个很好的途径,而保持电子束的宽度不变,增大束厚度,相应地降低电流密度只会使沿着电子束截面宽度方向的电场减小,而沿着电子束截面厚度方向的电场基本不变;对于相同电流和电流密度的带状电子束,更宽、更薄的电子束横截面尺寸能使沿着电子束截面宽度方向的电场降到更低,而沿着电子束截面厚度方向的电场只是略有减小。     

椭圆带状电子束聚焦方式

分析了椭圆带状电子束空间电荷场分布,采用3维粒子模拟软件观察椭圆带状电子束的传输不稳定性。分别对采用周期凸起磁场结构和偏置周期凸起磁场结构聚焦椭圆电子束进行理论分析,并利用粒子模拟软件对聚焦效果进行仿真。通过对比研究发现:偏置型周期凸起磁场结构更适合用于抑制椭圆截面带状电子束的传输不稳定性。     

结构参数对折叠波导行波管工作性能的影响

分析和计算了互作用区折叠波导截面长宽比(b/a)、直边高度和电子束通道大小等结构参数对太赫兹波段折叠波导行波管工作性能的影响。结果表明:互作用区衰减常数随b/a的增大而减小, 耦合阻抗和小信号增益则随b/a的增大先增加而后减小, 存在最优值。电子束通道越大, 衰减常数越大, 耦合阻抗和小信号增益降低得越多。相对于电子束通道, 增益和损耗对直边高度的敏感程度显著降低。因此为了提高器件功率容量, 可适当增加折叠波导的高度;在保证电子束能够顺利传输的前提下, 电子束通道越小越好。在折叠波导行波管的实际研制中, 可依据具体的实验条件和要求, 在适当的范围内合理选取互作用区各结构参数的值。     

双环贝塞尔-高斯径向偏振光束经介质分界面的强聚焦

基于矢量德拜理论,研究了贝塞尔-高斯径向偏振光束经过衍射光学元件(DOE)和高数值孔径(NA)透镜组成的光学系统后经介质分界面的强聚焦特性。设计DOE的参数对入射的贝塞尔-高斯径向偏振光束进行调制,在聚焦场中能得到沿光轴方向的三维多点光俘获结构-光链。研究结果表明,入射光束的拦截比(即透镜孔径半径与入射光束束腰半径比)、数值孔径和聚焦场介质折射率都会影响光束的强聚焦特性。当光束的拦截比增大到一个值时,聚焦场的光链会转变成暗通道,并且在不改变暗通道宽度的情况下,暗通道的长度会随着介质折射率的增大而增长。     

基于螺线盘聚焦径向电子束的理论分析与仿真研究

对径向电子束在浸没式聚焦条件下的传输特性进行了理论分析,得到了束流传输过程中轴向扩张幅值与外加引导磁场强度之间的解析表达式。阐述了螺线盘在空间中任意一点产生磁场的理论,给出了通以相反方向电流的螺线盘之间磁场的分布规律。设计了一种基于螺线盘聚焦径向电子束的引导磁场系统,并对电子束的传输特性进行了仿真研究,结果表明径向电子束能够在设计的引导磁场系统下实现束流的稳定传输。     

铁磁/反铁磁双层膜系统中交换各向异性及其厚度依赖性

研究铁磁/反铁磁双层膜系统中交换偏置场和矫顽场的冷却磁场依赖性.结果表明,随着冷却磁场的增加,交换偏置场由负值向正值转变.在转变点附近,矫顽场有-个特别的增强,并达到最大值.结果同相关实验-致.研究铁磁层和反铁磁层厚度对交换偏置场和矫顽场的影响.发现,正负交换偏置场和矫顽场随着铁磁层厚度的增大而减小,但随反铁磁层厚度的变化关系复杂.在正交换偏置场的情形,随反铁磁层厚度的增大,交换偏置场增强,矫顽场减弱;在负交换偏置场的情形,随反铁磁层厚度的增大,交换偏置场减弱,矫顽场增强.     

利用轴向磁化的永磁环制造轴向梯度磁场

首先叙述了由单个轴向磁化环所产生的磁场,并就两个永磁环所产生的纵向磁场进行了分析.对于两个沿同一方向磁化的永磁体环,沿磁环中心线将会产生一个强度较为均匀的轴向磁场.如果两者的磁化方向相反,则在两磁铁间的区域将产生一个纵向的梯度磁场,其磁场强度介于-B₀到+B₀之间.设计制造了一个高梯度的轴向磁场,其磁场梯度为47.2Tm,测量结果与计算结果非常一致.文中还讨论了产生变梯度磁场的方法.由于永磁环所产生的磁场和螺线管的磁场较为相似,磁铁外部空间将有较大的漏场,最后还讨论了屏蔽漏场的问题.     

周期凸起磁场聚焦带状电子注的3维粒子模拟

 从麦克斯韦方程出发，分析了带状电子注在螺线管磁场中传输时Diocotron模形成的原因；对周期凸起磁场(PCM)聚焦下的电子受力进行分析，分析表明PCM磁场能够抑制Diocotron模。结合理论分析，利用3维粒子模拟程序， 对Diocotron模的形成进行了研究，并利用了PCM磁场聚焦带状电子注，抑制Diocotron模。通过粒子模拟研究了磁场大小对PCM磁场抑制Diocotron模的影响，结果表明：磁场减少导致空间电荷力和磁力需要平衡，其侧面包络变厚。     

高传输通过率带状电子注聚焦与传输特性的研究

大宽高比的非轴对称带状电子注在微波和毫米波真空电子器件中具有显著的技术优势与应用潜力. 采用轴向均匀磁场可以聚焦和传输带状电子注,且具有易于实现电子注与磁场的匹配和调节、聚焦强流电子注以及无传输截止电压限制等优点,但面临严重的Diocotron不稳定性. 结合单粒子模型理论和冷流模型理论,对带状电子注传输特性进行的研究及其数值计算表明,通过详细设计带状注电子光学系统物理参数,增强聚焦磁场并在传输通道高度方向上选择较大的电子注填充比,可以有效降低Diocotron不稳定性对带状电子注的影响,并实现其长距离稳 关键词： 带状电子注 传输 均匀磁场聚焦 Diocotron不稳定性     

四注行波管周期永磁聚焦系统的优化设计

根据电子注参数、布里渊磁场公式及周期聚焦系统轴向磁通密度峰值经验公式,计算出永磁聚焦系统轴向峰值磁通密度,利用Ansoft Maxwell 3D软件建立了四注行波管周期永磁聚焦系统仿真模型,对模型结构尺寸进行了参数化分析,研究了周期永磁聚焦系统结构尺寸对聚焦系统通道内磁通密度的影响,确定了磁聚焦系统结构最佳尺寸配合,优化设计出了四注行波管周期永磁聚焦系统。其电子注通道中心轴线上轴向磁通密度峰值B_z=309 mT,横向磁通密度B_t=2.86 mT,B_t/B_z=0.92%。     

Wiggler磁场聚焦带状电子注

 带状电子注在螺线管磁场作用下传输时,易形成Diocotron不稳定性,导致电子注崩溃。采用Wiggler磁场聚焦带状电子注能防止Diocotron不稳定性。研究了Wiggler磁场聚焦带状注的作用机理,得出带状电子注在Wiggler场作用下的包络方程。结合理论分析,使用3维粒子模拟程序对带状电子注的Diocotron不稳定性和Wiggler磁场抑制不稳定性分别进行了模拟。研究表明:合适的选择磁场大小和周期能有效抑制Diocotron不稳定性,使得设计带状电子注行波管成为可能。     

Possibility of Yerevan synchrotron magnet structure transformation

We study a possibility of improving the YerPhI synchrotron by changing the magnet structure of accelerating ring so that the beam dynamics preserves its stability. The proposed changes in magnet structure allow one to get free intervals of sufficient length between the magnets which will be used for installing the system of multiturn injection and ejection of the beam as well as for installing a “cooling” system for the ion beam acceleration. Besides, additional focusing or defocusing magnets may be installed in the formed long free intervals for more effective control of the “working point” location, as well as the sextupole magnets may be installed for control of the chromaticity of the beam.     

强流环形电子束在同轴永磁Halbach结构磁路中传输的初步分析

利用有限元程序SUPERFISH计算求解了同轴永磁Halbach结构磁路的磁场, 并推导出该磁场位形磁感应强度各分量的近似表达式. 利用流体模型分析了作用在电子束上的力并导出了改进马丢方程形式的径向力平衡方程, 给出了平衡条件; 利用2.5维全电磁粒子模拟程序研究了强流环形电子束在该周期系统中传输的物理过程. 计算得出强流相对论电子束的稳定传输与电子束电流, 电子束厚度, 磁场强度, 电子束入射角度等因素有关. 分析认为利用同轴永磁Halbach结构磁路导引数KA的环形电子束, 并使之稳定传输是可能的. 同时该磁场聚焦形式也为Ubitron中的束--波相互作用提供了一个作用机制.     

Dai Omega, a Drastic Upgrading of the Surface Muon Channel Using a Large Solid Angle Axial Focusing Superconducting System

An axial focusing surface muon channel, Dai Omega, is under construction. This channel will be installed at KEK-MSL in the summer of 2001. It uses four large aperture superconducting coils for axial focusing to realize a high-intensity positive muon beam by improving the solid angle acceptance. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.