利用偏置磁极周期会切磁铁产生边聚焦场

 利用理论分析和数值计算的方法,研究了偏置磁极周期会切磁铁产生的、可用于带状电子束宽边聚焦的边聚焦场。结果表明:增加偏置长度,减小电子束通道宽度,增大磁极轴向长度可以在基本不改变边聚焦场在x方向上分布特性的前提下提高幅值;增大电子束通道的高度,增大磁极厚度均可以减小边聚焦场在x方向上分布曲线的曲率,但同时其幅值也会降低,该降低可利用前述方法予以补偿。在对带状电子束宽边聚焦进行束匹配时,可以先进行曲率匹配,再进行幅值匹配。在进行参数选择时,应合理选择束通道高度和磁极厚度的取值,以避免束通道内的边聚焦场在x方向上的分布出现曲率反向。     

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%.     

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。     

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.     

带状电子注的聚焦和传输

 采用单粒子模型,对有限宽矩形带状电子注在周期会切磁场(PCM)、带偏移磁极的周期会切磁场(offset-pole PCM)和周期会切周期四极磁铁混合磁场(PCM-PQM)聚焦结构中传输的双平面聚焦,进行了详细的理论和数值分析研究。结果表明:PCM和offset-pole PCM聚焦结构对于实现带状电子注的双平面边缘聚焦比较困难,原因在于它们无法独立控制电子注水平和垂直两个方向的聚焦。PCM-PQM聚焦结构则非常有效地改善了聚焦,可以很好地实现带状电子注边缘的聚焦和均匀稳定的传输。     

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。     

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.     

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.     

周期永磁磁场导引环形强流电子束研究

 利用磁场有限元法，计算了周期性布置的永磁铁内的磁场；利用流体模型分析了作用在束电子上的力并导出了改进Matheiu函数形式的径向力方程；利用2.5维PIC程序研究了束传输的物理过程。计算发现强流相对论电子束的稳定传输与束等离子体密度、束平衡位置、磁场的强度、磁场周期长度等有关。研究认为利用周期性永磁场导引数kA的环形电子束，使之稳定传输是可能的。     

同轴相对论速调管周期永磁聚焦系统的初步研究

为了探索相对论速调管放大器(RKA)的小型化技术,开展了同轴RKA周期永磁聚焦的物理与设计技术研究。周期永磁聚焦系统采用Halbach阵列结构,产生的磁场类型为周期性会切磁场。首先给出该系统的磁场各个分量的表达式,分析该系统磁场分布的特点,并推导得出该系统聚焦强流环形电子束的稳定条件。根据该稳定条件,对Ka波段同轴RKA设计了一个周期永磁聚焦系统,并优化了周期磁场参数,确定了磁场系统设计的最佳周期和幅值。研究结果显示,周期永磁(PPM)聚焦系统在周期长度18 mm和磁场幅值0.33 T的条件下可引导500 kV、6 kA的同轴RKA,得到1 GW的微波输出功率,物理分析确定了周期永磁聚焦系统应用于高功率同轴RKA的技术可能性。     

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。     

利用空气芯电磁铁产生周期会切磁场

给出了一种利用薄金属带构造的、能够产生周期会切磁场的空气芯电磁铁的设计方案,研究了该类型电磁铁产生周期会切磁场的规律。结果表明,通过增加电磁铁的周期长度,减小电子束通道的高度,或在金属带自身的电阻性发热所能承受的范围内增大金属带上传输电流的线密度,都可以提高电磁铁的励磁强度。增加电磁铁的周期长度,还可以提高周期磁场轴向分布的均匀性。     

Numerical investigation of space charge electric field for a sheet electron beam between two conducting planes

Analytical and numerical study of the stability of sheet electron beam in periodically cusped magnetic field (PCM) is made. The beam has been considered as having diffused density profile. The conditions for beam focusing are discussed.     

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。