基于Tesla变压器和螺旋线的长脉冲发生器

 提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器，该发生器的螺旋型形成线包含有磁性材料构成的内导体棒和外屏蔽。形成线通过内置的高耦合Tesla变压器充电，变压器的初级线圈紧靠外磁芯导体，次级线圈位于螺旋中筒和外筒之间。对这种结构的螺旋线进行了特征参数的理论计算和波传输数值模拟，并进行了简单的原理验证实验。实验结果表明：这种设计是合理的、可行的。     

一种螺旋型Blumlein线的阻抗特性分析

提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器,该发生器的螺旋型Blumlein线由内导体（含磁体）、螺旋型中筒和外导体（含磁体）构成,该结构实现了螺旋型Blumlein线和Tesla变压器的一体化。通过对螺旋型Blumlein线的波传输过程分析,给出了慢波系数、开关闭合电流、用于描述形成线闭合开关处界面上波行为的变量因子等参数的计算公式。采用PIC软件对螺旋型Blumlein线的部分波传输过程进行数值模拟,慢波系数等参数的模拟值与计算值基本相符。进行了恒阻抗负载下螺旋型Blumlein线的原理性实验,实验得到的负载波形与编程计算得到的波形基本吻合。     

一种螺旋型Blumlein线的阻抗特性分析

 提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器,该发生器的螺旋型Blumlein线由内导体（含磁体）、螺旋型中筒和外导体（含磁体）构成,该结构实现了螺旋型Blumlein线和Tesla变压器的一体化。通过对螺旋型Blumlein线的波传输过程分析,给出了慢波系数、开关闭合电流、用于描述形成线闭合开关处界面上波行为的变量因子等参数的计算公式。采用PIC软件对螺旋型Blumlein线的部分波传输过程进行数值模拟,慢波系数等参数的模拟值与计算值基本相符。进行了恒阻抗负载下螺旋型Blumlein线的原理性实验,实验得到的负载波形与编程计算得到的波形基本吻合。     

基于螺旋线的紧凑型高压纳秒脉冲发生器

提出了一种结合高耦合Tesla变压器和螺旋形成线(FL)的紧凑型高压纳秒脉冲发生器,由内置Tesla变压器充电的螺旋FL包含外屏蔽筒、螺旋中筒和内导体筒,内外筒的两端均短路连接,螺旋中筒的一端开路,另一端穿过内外筒短路端面并与主开关电极连接。该结构简单紧凑、易于实现,输出脉冲前沿快、平顶好。给出了一组10 GW功率、百ns脉宽的FL设计,采用Midel 7131合成酯绝缘介质,FL外筒内径0.88 m,长度2 m。     

螺旋型Blumlein线的理论研究

 采用薄电流层模型讨论了螺旋型Blumlein线的一种结构，该结构由螺线体内筒、螺线体中筒和导体外筒构成。给出了假定外线独立传输电压波时的螺旋型Blumlein线特征参数的近似计算公式，并进行了简单的原理验证实验。理论计算得到的脉冲电压幅值为543 V、脉宽为24 ns，而实验中分流器测到的电压值为471 V、脉宽为30 ns。为了简化计算，理论计算中对外线独立传输的假设条件不严密，由此造成了与实验结果的差异。提出了Tesla变压器和螺旋型Blumlein线相结合的方案：内置高耦合Tesla变压器的单同轴线构成整个外线的一部分。设计结果表明：外径628 mm、总长2.67 m、充电800 kV的螺旋型Blumlein线可实现电压1.07 MV、功率1.53 GW、脉宽93 ns的脉冲输出，理论输出线能量转换效率50%。     

三导体螺旋脉冲形成线的输出特性

 采用横电磁波传输理论,分析了三导体螺旋脉冲形成线（PFL）（包含内筒、螺旋中筒和外筒）的脉冲形成过程,给出了螺旋PFL的波阻抗、慢波系数、输出脉冲的平顶波动幅度等特征参数的计算公式。研究表明:三导体螺旋PFL具有与螺旋传输线同样的波阻抗和慢波系数;螺旋PFL的输出脉冲平顶波动,随着慢波系数或负载阻抗的增大而减小。     

具有螺旋内筒和螺旋外筒的Blumlein线

提出了具有螺旋内筒和外筒的同轴Blumlein线的结构。采用横电磁波传输理论分析脉冲形成过程,该结构具有传统Blumlein线内外线独立传输的典型特征,给出了特征阻抗、慢波系数等参数的表达式;原理实验输出脉冲顶部平坦,顶宽占半宽的80%,输出辐值和半脉宽与理论计算基本一致,验证了该结构产生长脉冲的可行性;指出了该结构容易受周围环境导体的影响,外部环境导体距离越远对脉冲输出的影响越小,在螺旋外筒底部与接地导体平板之间填充铁氧体磁芯,可把两者距离从500mm缩减至100mm。     

10 GW甘油介质双螺旋Blumlein脉冲形成线

为实现脉冲驱动源的高储能密度和紧凑化，研制了一种以甘油为储能介质，具有中筒螺旋和内筒螺旋的高功率双螺旋Blumlein脉冲形成线(BPFL)。首先，综合绝缘稳定性和储能密度考虑，分别计算BPFL的外线和内线尺寸。利用增加中筒和内筒螺旋的方式增加输出脉宽和形成线阻抗，实现BPFL的紧凑化设计。其次，利用场路协同仿真软件计算形成线内的瞬态场位形变化，结合瞬态场分布分析电压波在形成线内的传输过程，给出外线和内线传输时延的仿真结果。在此基础上，对中筒螺旋匝数、内筒螺旋匝数，以及开关电感等影响输出波形质量的情况进行详细分析。最后，根据仿真优化结果搭建基于双螺旋BPFL的10 GW实验平台。利用脉冲变压器对BPFL充电600 kV，在10 Hz重频条件下运行10 s，于50Ω负载上产生峰值电压712 kV、半高宽136 ns的准方波脉冲，单脉冲能量与BPFL体积比达到10.8 kJ/m³，脉冲平顶峰峰值抖动为3.8%，与仿真结果吻合度较高。     

基于三导体同轴线和Tesla变压器的脉冲形成线理论分析

 提出一种由三导体同轴线构成的脉冲形成线技术方案,利用中筒改善内外筒间电场分布,提高平均场强,从而获得更高的形成线电压及储能。利用双次级Tesla变压器为形成线充电,简单分析了电路特点及次级电压波形,给出两个筒间隙电压达到恰当比例对应的充电时间。通过优化内筒、中筒半径,得到形成线电压和储能曲线,结果表明:外筒半径固定时,形成线电压和储能均存在最大值。特别分析了有效储能问题,给出了有效储能曲线和能量效率曲线。     

基于细线径螺旋脉冲形成线的长脉冲产生技术

提出了一种包含内外筒、细线径、多起端密绕的螺旋脉冲形成线(PFL)结构,与Tesla变压器有机组合,构建了长脉冲产生装置,可以实现较高的能量效率,并且结构紧凑,适于重复频率工作。以最大充电电压为结构设计原则,螺旋PFL波阻抗为12.6倍慢波系数,且形成线纵横比大于3.1时,Tesla变压器的耦合度能达到0.95;以形成线最大储能为结构设计原则,螺旋PFL波阻抗为7.5倍慢波系数,且形成线纵横比大于2.0时,Tesla变压器的耦合度能达到0.95。实验结果与理论分析吻合得较好。     

相对论电子束在离子通道中的聚焦与输运

 基于单粒子理论,描述了相对论电子束在离子通道中的聚焦输运过程,讨论了离子-电子密度比、相对论因子、束加速电压和入射电流等系统参数对电子束的聚焦半径、纵向聚焦位置的影响。研究表明,离子通道对电子束具有强烈的聚焦效应,束流在离子通道内的传输是类周期波动传输,随传输距离增加,聚焦点处的半径逐渐增加,束流的波动幅度逐渐减小。选择适当的系统参数,可调节束聚焦点位置和聚焦点半径的大小,实现电子束的长距传输并且减少电子束的耗散。     

Investigation of intense sheet electron beam transport using the macroscopic cold-fluid model and the single-particle orbit theory

The focusing and the stable transport of an intense elliptic sheet electron beam in a uniform magnetic field are investigated thoroughly by using the macroscopic cold-fluid model and the single-particle orbit theory.The results indicate that the envelopes and the tilted angles of the sheet electron beam obtained by the two theories are consistent.The single-particle orbit theory is more accurate due to its treatment of the space-charge fields in a rectangular drift tube.The macroscopic cold-fluid model describes the collective transport process in order to provide detailed information about the beam dynamics,such as beam shape,density,and velocity profile.The tilt of the elliptic sheet beam in a uniform magnetic field is carefully studied and demonstrated.The results presented in this paper provide two complete theories for systemically discussing the transport of the sheet beam and are useful for understanding and guiding the practical engineering design of electron optics systems in high power vacuum electronic devices.     

Kinetic theory of monochromatic waves bunching in a low-voltage beam discharge in rare gases

The kinetic theory of phase focusing, that is bunching in a low-voltage beam discharge in rare gases (LVBD) during the propagation of longitudinal electrostatic oscillations at the Knudsen numbers of the order of unity have developed. The anomalous relaxation of the almost monoenergetic electron beam in momentum and energy is described for the case when this process cannot be explained by electron–atom collisions. The paper has shown the important role of electrons that have the beam energy and isotropic directional distribution, which is formed as a result of elastic collisions between the beam electrons and atoms. The dependence of the anomalous relaxation length on parameters of the LVBD in rare gases is studied.The developed theory makes it possible to quantitatively interpret experimental data on the LVBD under conditions when the electron mean free path is of the order of the interelectrode gap. According to these data, regardless of the density of the charged particles in the LVBD plasma in rare gases, five Langmuir plasma wavelengths fit along the length of the anomalous relaxation of the electron beam. The study of the electron beam dynamics laws in a plasma is important for the development of plasma-electrical devices, where the beam discharge is applied, namely: widely used all-movable stabilizers, sources of intense electromagnetic radiation, controlled elements of electronic circuits, plasma chemical reactors, etc.     

Model of crystallization of a melt containing nonsoluble particles

A mathematical model of the electron beam hardening of carbon steels irradiated with a relativistic electron beam is proposed which takes into account the change in crystallization conditions as a result of ingress of inert particles into the melt. The model is based on an analogy with the two-phase zone theory. The problem is solved numerically.     

径向渡越时间振荡器互作用特性的流体理论分析

 用线性流体理论分析了径向渡越时间振荡器谐振腔中电子束与高频场的相互作用，通过数值求解得到了其中束 场能量交换等随直流渡越角的变化规律。与单电子模型的分析结果相比较，流体模型所得结果更具有普适性。     

The nonlinear theory of slow-wave electron cyclotron masers with inclusion of the beam velocity spread

The nonlinear theory of slow-wave electron cyclotron masers (ECM) with an initially straight electron beam is developed. The evolution equation of the nonlinear beam electron energy is derived. The numerical studies of the slow-wave ECM efficiency with inclusion of Gaussian beam velocity spread are presented. It is shown that the velocity spread reduces the interaction efficiency.     

外开槽同轴波导大轨道回旋自谐振脉塞放大器

 运用大轨道电子束,对外开槽同轴波导回旋自谐振放大器进行了线性动力学理论分析和非线性自洽模型模拟。由线性动力学理论分析和非线性模拟得到的结果在线性增长部分吻合得很好。为了有效抑制绝对不稳定性,对电子束流的选择进行了讨论。计算结果表明：对于电压为700 kV, 电流为100 A, 电子束纵横向速度比为0.8的大轨道电子束, TE₅₁外开槽同轴波导回旋自谐振脉塞放大器的峰值功率和峰值效率分别可以达到6.27 MW和8.96%。     

Direct measurement of the double emittance minimum in the beam dynamics of the sparc high-brightness photoinjector

In this Letter we report the first experimental observation of the double emittance minimum effect in the beam dynamics of high-brightness electron beam generation by photoinjectors; this effect, as predicted by the theory, is crucial in achieving minimum emittance in photoinjectors aiming at producing electron beams for short wavelength single-pass free electron lasers. The experiment described in this Letter was performed at the SPARC photoinjector site, during the first stage of commissioning of the SPARC project. The experiment was made possible by a newly conceived device, called an emittance meter, which allows a detailed and unprecedented study of the emittance compensation process as the beam propagates along the beam pipe.     

光学渡越辐射理论及其在直线感应加速器脉冲电子束诊断中的应用

匀速运动的带电粒子在穿过具有不同介电常数的两种媒质界面时要产生所谓光学渡越辐射。该辐射在粒子的入射平面上呈偏振行为;从辐射强度的角分布可以确定入射粒子的能量。在入射到双膜系统的情况下,由于干涉的发生,在第二膜前表面的强度角分布有振荡行为。利用这些现象,可对脉冲电子束包络半径、束电流密度的横向分布,束能量以及横向散角进行测量,依照这一原理在各LIA加速器上进行的脉冲电子束参数测量,获得的有效数据极大地提高了加速器的调试效率。     

电子束与烟气相互作用机制模拟分析

 电子束在烟气中穿透深度和剂量分布将直接影响废气中硫、氮氧化物的脱除效率。通过理论计算和蒙特卡罗模拟计算得到不同能量电子穿过各种厚度加速器箔窗后能量损失情况；对不同入射能量电子束在烟气中透射深度和轨迹分布进行了模拟计算。结果表明：电子束反应最佳能量为700 keV；利用产生1 m长线状束流的电子加速器进行双面照射，烟道反应室横截面最佳尺寸为1.0 m×3.5 m。