多注行波管周期永磁聚焦系统

 利用自行开发的3维行波管仿真软件研究了五注耦合腔行波管周期永磁聚焦系统,分析了各个电子注通道内的静磁场分布和电子注聚焦性能。讨论了在有无初始横向速度的情况下各电子注的聚焦情况。并对外层电子注通道内的横向磁场的性质和其造成的对电子注聚焦的影响进行了分析,结果表明:该多注周期永磁聚焦系统具有良好的静磁场分布特性与电子注聚焦性能,在结构设计合理时,横向磁场对外层通道内电子注的聚焦影响很小,可以忽略。     

X波段耦合腔行波管周期永磁聚焦系统

通过对不同耦合腔结构中电子注传输特性的研究,设计了长周期永磁聚焦系统,解决了影响电子注传输的横向磁场,开口磁环和磁场过渡区等问题,运用3维程序对X波段耦合腔行波管电子光学系统进行模拟计算,电子注通过率达到100%,波动9%,与耦合腔行波管实验要求一致。     

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%。     

回旋行波管收集极的热分析

为解决回旋管行波管收集极的散热问题,保障回旋行波管工作的可靠性和稳定性,利用CST电子仿真软件模拟出电子在回旋行波管中的运动轨迹,并因此确定了进入收集极的电子注的初始条件。利用ANSYS有限元软件对回旋行波管收集极的散热特性进行详细的模拟计算,分析比较了不同热流密度加载方式对收集极温度分布的影响。采用非均匀热流加载方式探究了水温和流速对收集极温度的影响,并对收集极的散热翼片的数目和尺寸进行了优化,最终得出了比较理想的结构。模拟结果优于经验值,说明了所用模型和方法的正确性。     

周期永磁聚焦电子注性能计算机模拟

 使用全三维电磁场粒子模拟程序MAFIA建立了行波管周期永磁聚焦系统模型，计算了磁系统中的磁场分布和静态电子注传输特性。分析了周期永磁系统聚焦电子注传输特性，并重点讨论了磁场强度、磁场端部效应和横向速度分布对电子注聚焦性能的影响。为周期永磁聚焦系统的工程设计和优化提供了有价值的模拟结果。     

螺旋线行波管慢波结构设计及注波互作用模拟

通过模拟计算,分析螺旋线内径和螺距变化对色散和耦合阻抗的影响,优化慢波结构,初步设计了Ku波段螺旋线行波管慢波结构。模拟行波管输入输出结构,得到输入端反射系数小于-19 dB,电压驻波比小于1.24。电子聚焦系统采用周期永磁聚焦,磁场周期为8.5 mm,计算得到磁场峰值为0.17 T。为提高注波互作用效率,采用具有动态速度渐变特性的慢波结构,使得电子注与高频场有足够的互作用时间,从而保证电子不断地将能量交给高频场。运用三维PIC粒子模拟软件分析行波管的注波互作用,得到在12.5~16 GHz频率范围内输出功率大于88.7 W,电子效率大于14.8%,增益大于34.6 dB。     

0.22THz折叠波导行波管电子光学系统设计与实验研究

设计了一套0.22THz折叠波导行波管电子光学系统,详细介绍了电子枪和周期永磁聚焦系统的设计过程,在电子枪电子束束腰与磁系统不匹配情况下,对磁场过渡区进行了优化设计,以此为基础利用磁场仿真软件对磁场进行模拟和优化,并把磁场位形代入电磁仿真软件进行电子束传输仿真,优化后的电子光学系统发射束流10mA,阴极电压15kV,束流通过率96%。通过实验验证,流通管束流通过率93%,高频样管束流通过率94%,与设计相符。高频样管实现连续波运行,功率大于0.4 W,3dB带宽大于12GHz。     

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。     

翼片加载螺旋线慢波结构的螺旋带模型

 翼片加载螺旋线慢波结构广泛应用于大功率、宽频带行波管中。建立了翼片加载螺旋线慢波结构的螺旋带模型，得到了实用的色散方程、耦合阻抗和衰减常数的表达式。利用导出的方程对实际行波管的螺旋慢波结构进行计算，并与测量结果和导电面模型进行了比较，计算结果与测量结果具有良好的一致性。分析了不同管壳半径对色散特性的影响。     

螺旋线行波管电子效率改善的数值模拟

 运用全电磁2.5维粒子模拟软件MAGIC和3维高频结构仿真软件HFSS，模拟仿真了正-负双跳变慢波结构对螺旋线行波管电子效率的改善，从慢波系统高频参量、非同步参量、增益参量和电子注相位等角度进行了讨论。设计并加工了一支采用双跳变结构的螺旋线行波管，实测结果表明：采用双跳变结构后可将电子效率从19%提高到29%；模拟仿真方法得到的平均相对误差为5%左右。     

W波段扩展互作用器件均匀磁聚焦电子光学系统

扩展互作用器件,采用三个线圈和一个磁极实现均匀磁场分布。根据理论计算采用有限元法磁学(FEMM)仿真软件对所求磁场进行了建模分析,依据FEMM计算的磁场结合静电电子枪,采用CST仿真软件对高电流密度、高压缩比的电子注在均匀聚焦磁场的作用下传输进行优化。经过计算得出,在工作电压为17 kV、阴极发射电流密度小于10 A/cm2的条件下,由皮尔斯电子枪发射的电子注在均匀磁场的聚焦作用下传输良好,通过率为100%,得到了导流系数为0.175μP的电子枪,在均匀磁场区形成了高电流密度、高压缩比的电子注,平均电流密度达到343.17 A/cm2,压缩比为32,电子注横纵速度比为7.2%。     

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.     

High-order harmonic generation in a tightly focused laser beam

The force due to the transverse magnetic field of a laser beam drives an electron in the direction of laser propagation, thereby impeding the recollision mechanism for high-order harmonic generation. The longitudinal electric field component of a tightly focused Gaussian beam can sufficiently counteract the magnetic force to enhance the harmonic yield substantially. For tight focusing and a laser intensity of 10(18) W/cm2, it can raise the harmonic yield by several orders of magnitude.     

Electron beam halo formation in high-power periodic permanentmagnet focusing klystron amplifiers

Electron beam halo formation is studied as a potential mechanism for electron beam losses in high-power periodic permanent magnet focusing klystron amplifiers. In particular, a two-dimensional (2-D) self-consistent electrostatic model is used to analyze equilibrium beam transport in a periodic magnetic focusing field in the absence of a radio frequency (RF) signal, and the behavior of a high-intensity electron beam under a current-oscillation-induced mismatch between the beam and the periodic magnetic focusing field. Detailed simulation results are presented for choices of system parameters corresponding to the 50-MW, 11.4-GHz periodic permanent magnet (PPM) focusing klystron experiment performed at the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). It is found from the self-consistent simulations that sizable halos appear after the beam envelope undergoes several oscillations, and that the residual magnetic field at the cathode plays an important role in delaying the halo formation process     

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。     

高电流密度圆柱状电子光学系统设计

设计了高电流密度圆柱状电子枪,并分析了枪体参数对电子注品质的影响;运用径向力平衡理论计算了聚焦磁场.三维模拟软件CSTPARTICLESTUDIO模拟显示,在枪体电极和空间电荷形成的静电场,以及聚焦磁场作用下,电子呈角向先变速后匀速螺旋状运动,其旋转半径始终与出射阴极面时的半径相同,从而在枪区和互作用通道内维持了注包络水平.模拟结果与设计理论相符.注平均电流密度达到24·4A/cm2,层流性良好,填充因子76·7%,流通率100%.     

Features of cooling dynamics in a high-voltage electron cooling system of the COSY

An electron cooler designed at the Budker Institute of Nuclear Physics for the Cooler Synchrotron COSY (Juelich, Germany) has been put into operation. The aim of this cooling device is to prevent the beam scattering on an internal target up to the maximal energy of the transmitted beam. The device provides cooling in a strong longitudinal magnetic field generated in a high-voltage area. The motion of electrons in the magnetic field considerably improves the kinetics of electron—ion collisions, because their transverse velocity component (which is very high as a rule) does not participate in the process. First experiments on electron beam cooling on energy 200 MeV were made in 2013. Early in 2014, sessions on electron beam cooling to 200, 350, 580, and 1660 MeV were carried out. In other experiments, deuterium beams were cooled down. Experimental data for the cooling time are compared with the respective theoretical predictions. These results may be used in cooling projects for the Nuclotron-based Ion Collider fAcility (NICA), Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia, and the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), Darmstadt, Germany.