电子束空间极限电流的非线性理论研究

从电子束一维稳态传输的电势非线性Poisson方程出发,推导了圆柱波导内实心束和环形束空间极限电流与电子入射电势的依赖关系,给出了数值求解方法和解的特征,分析比较了数值计算与现有解析公式及粒子模拟的结果.考虑电子的横向运动,对数值方法进行了二维修正,计算结果与粒子模拟结果具有很好的一致性.说明利用数值方法计算电子电势非线性微分方程能够得到更精确的电子束在圆柱波导内的空间极限电流;另外,对其他形状的波导,尤其是难以得到解析式的情况,根据实际几何结构设置边界条件,数值方法可以方便地给出束流传输特性,对设计新型结构的高功率微波器件提供理论指导. 关键词： 相对论电子束 圆柱波导 空间极限电流 束流传输     

同轴波导环形相对论电子束空间极限电流

得到了1维条件下电子均匀分布时,环形电子束在同轴波导内轴向传输的空间极限电流解析表达式。通过讨论解析式在薄电子束和波导内导体半径为0等极限条件下的近似情况,分析了其合理性。在电子束非均匀分布的条件下,对空间极限电流进行了数值求解,并与解析计算结果进行了比较。理论研究表明:环形电子束在同轴波导内具有较圆柱波导内更高的空间极限电流,而且当电子束靠近波导壁时,空间极限电流会显著提高。     

同轴波导环形相对论电子束空间极限电流

得到了1维条件下电子均匀分布时,环形电子束在同轴波导内轴向传输的空间极限电流解析表达式。通过讨论解析式在薄电子束和波导内导体半径为0等极限条件下的近似情况,分析了其合理性。在电子束非均匀分布的条件下,对空间极限电流进行了数值求解,并与解析计算结果进行了比较。理论研究表明：环形电子束在同轴波导内具有较圆柱波导内更高的空间极限电流,而且当电子束靠近波导壁时,空间极限电流会显著提高。     

层流平衡相对论电子束束流特性的数值计算

通过对层流平衡相对论电子的运动微分方程组进行数值求解,得到正则角动量在pθ=0,pθ=const.和pθ∝r2三种情况下,束流的传输特性.针对pθ=0的相对论实心电子束,利用数值求解得到了与解析方法一致的结果,从而验证了数值方法的合理性;针对无法用解析方法求解的pθ=0环行电子束、pθ=const.和pθ∝r2的情况,利用数值方法得到了束流和空间极限电流关于波导、电子束结构和二极管电压等参数的变化规律及对轴向导引磁场的要求.计算结果表明:当相对论电子束以层流平衡态传输时,环行束较实心束具有更高的空间极限电流和更低的轴向导引磁场,且当阴极发射面与导引磁场的磁场线垂直时,维持电子束层流平衡所需的轴向导引磁场最低;电子束在有限磁场导引下以层流平衡态传输时,空间极限电流明显大于无限大磁场导引下一维近似的情况.利用数值方法对层流平衡相对论电子束进行理论研究,更全面地揭示了电子束在正则角动量满足不同条件时的束流特性,为设计新型结构的高功率微波器件提供理论参考.     

径向线内电子束的空间极限电流

为了对径向线内电子束的空间极限电流及相关物理参量进行分析, 在径向方向无穷长与束流密度轴向均匀的假设条件下, 对电势满足的线性泊松方程进行了解析求解, 得到了空间极限电流的解析表达式, 接下来对束流密度轴向非均匀分析条件下电势满足的非线性方程进行了数值求解, 并与解析结果进行了对比。研究表明径向电子束具有较高的空间极限电流且当束流接近于极限电流传输时, 束密度的非均匀性明显增加, 相关结论可以为径向高功率微波器件的设计提供指导。     

径向线内电子束的空间极限电流

为了对径向线内电子束的空间极限电流及相关物理参量进行分析, 在径向方向无穷长与束流密度轴向均匀的假设条件下, 对电势满足的线性泊松方程进行了解析求解, 得到了空间极限电流的解析表达式, 接下来对束流密度轴向非均匀分析条件下电势满足的非线性方程进行了数值求解, 并与解析结果进行了对比。研究表明径向电子束具有较高的空间极限电流且当束流接近于极限电流传输时, 束密度的非均匀性明显增加, 相关结论可以为径向高功率微波器件的设计提供指导。     

强流相对论环形电子束自调制振荡研究

 主要研究了强流相对论环形电子束在等位谐振腔内的非线性自调制振荡，用小信号理论分析了电子起振的条件，得出了电子起振的扰动频率。基于该理论分析，又提出了一种不外加磁场的新型高功率微波器件，该器件主要由一个圆柱谐振腔和一个同轴波导输出腔构成。用2.5维MAGIC粒子模拟软件对该非线性过程进行数值模拟，分析了输入电压、电流对输出微波功率的影响。模拟结果表明这种结构中确实存在非线性不稳定性，自调制的扰动频率则由电子束的初始能量、电荷密度和电子束的半径以及谐振腔的空间结构给定。利用谐振腔长为4.7 cm、二极管电压为2.8 MV、电流为20 kA的电子束，可以得到频率为4.29 GHz、功率为6 GW的微波输出，束-波转换效率约为11%。     

相对论电子束虚阴极静电振荡的粒子模拟

本文运用有限大小粒子模型,用等离子体粒子模拟方法,对相对论电子束的虚阴极振荡作了一维静电粒子模拟。结果表明,在注入电流小于空间电荷极限电流时,电子束能稳定传输并能全部通过。当注入电流超过空间电荷极限电流时,传输是不稳定的,将有部分电子反射,部分通过。空间电荷形成的虚阴极的位置和电势周期性地振荡。电流越大,虚阴极位置越靠近注入面且变化范围越小,虚阴极电势越低且振幅越大,振荡频率越高且大于电子束等离子体频率。     

螺旋波纹壁圆柱波导回旋行波放大器的非线性模拟

 给出了螺旋波纹壁圆柱波导回旋行波放大器非线性模拟中,处理偏模的初值问题和计算精度瞬时监测问题两项关键技术。采用这些技术编制的程序所得到的数值计算结果与Denisov等人实验观测值符合得很好。在此基础上,对电子束速度离散、螺旋开槽周期和开槽深度对效率的影响,进行了非线性模拟研究。结果表明：螺旋波纹壁圆柱波导回旋行波放大器效率对电子束速度离散不敏感,而对螺旋波纹开槽周期和开槽深度的依赖性较强;通过参数优化可望把目前实验的效率水平提高到25.6%。     

一维漂移空间内强流电子束的稳态传输特性

在计算了一维平板和同轴结构漂移空间的空间电荷限制流的基础上,对其中超过空间电荷限制流状态下强流电子束的稳态传输特性进行了理论分析.分析给出了确定束流稳定传输时形成虚阴极的位置和虚阴极处电子束透过率的表达式,求解了束流电子在漂移空间内的渡越时间,平板结构漂移空间内得到了通用的解析结果,同轴结构漂移空间内得到了适合一定结构参数条件下的近似结果. 关键词： 强流电子束 虚阴极 一维漂移空间 传输特性     

新型反馈式轴向同轴虚阴极振荡器

提出一种利用低磁场导引环形电子束在同轴波导内轴向激励虚阴极振荡的新型虚阴极振荡器.利用反馈式结构,使虚阴极在由反馈环、阳极箔和同轴波导构成的高品质因子准谐振腔内形成.作用腔内环形电子束激励同轴波导TM₀₁模式,在相对低品质因子的同轴提取区转化为TEM主模输出.用25维KARAT粒子模拟软件研究得到束波功率转换效率12%,输出微波平均27 GW,中心频率38 GHz. 关键词： 环形电子束 轴向导引磁场 同轴波导 反馈环     

圆波导契伦柯夫自由电子激光的单粒子理论

用单粒子理论研究了契伦柯夫自由电子激光的基本性质,给出了空心束圆柱衬介质波导契伦柯夫自由电子激光调谐特性,导出了增长率表达式,计算了克服谐振腔损失所需阈值电流和相互作用效率,讨论了束与介质间间隙的影响,并对空心束与实心束进行了比较,最后讨论了电子束品质对契伦柯夫自由电子激光的影响。     

箔聚焦强流相对论环形束在同轴波导中的传输

 结合箔聚焦和静电线聚焦的特点,对箔聚焦强流相对论环形电子束在同轴波导中的传输进行了研究。通过数值求解电势满足的泊松方程,得到电势、电场分布及系统的空间电荷限制流,并根据电子的运动方程得到包络电子的平衡条件及其运动轨迹。     

圆波导契伦柯夫自由电子激光流体描述

用磁流体理论研究了契伦柯夫自由电子激光的性质,导出了空心束驱动的圆柱对称波导契伦柯夫自由电子激光的色散关系,利用色散关系计算了契伦柯夫不稳定性增长率,给出了饱和功率的估计值,考虑了束与介质间间隙对契伦柯夫自由电子激光的影响,并就空心束与实心束情况进行了比较。     

箔聚焦强流相对论环形束在同轴波导中的传输

结合箔聚焦和静电线聚焦的特点,对箔聚焦强流相对论环形电子束在同轴波导中的传输进行了研究。通过数值求解电势满足的泊松方程,得到电势、电场分布及系统的空间电荷限制流,并根据电子的运动方程得到包络电子的平衡条件及其运动轨迹。     

激光驱动强流电子束产生和控制

在惯性约束聚变（ICF）电子束快点火物理方案中,需要超强拍瓦激光脉冲驱动MeV能量的强流电子束,并沉积数十kJ能量到压缩氘氚芯区。强流电子束的束流品质是影响点火成功的关键因素之一,为深入了解强流电子束产生物理过程,研制成了三维高性能、适应上万CPU核规模的并行粒子模拟程序,并开展了大规模数值模拟研究,探索了强流电子束的产生机制和输运规律。回顾了近几年来快点火研究团队围绕强流电子束产生和控制开展的研究,介绍了导致束流品质差的两大物理原因：预等离子体效应和束流不稳定性磁场的随机散射。针对这两个物理原因,提出了四种提高强流电子束品质的方法：（1）双层金锥靶减弱预等离子体的负面效应;（2）输运丝产生环向磁场准直强流电子束;（3）外加磁场导引强流电子束提高耦合效率;（4）抑制束流不稳定性以降低随机磁场对电子束流的散射。     

Numerical Analysis of the C-Band Klystrode with Annular Electron Beam

A klystrode oscillator cavity is designed using annular electron beam in the C-band frequency that can be easily scaled to S and X bands. Beam electrons are assumed pre-modulated and injected into the toroidal cavity in the shape of thin reentrant resonator with the grid structure built in the beam entrance. We optimize the beam conversion efficiency via the MAGIC code in the range of sixty to seventy percent with the fundamental TM₀₁-mode which is fine tuned by the 3D HFSS code. The annular electron beam has a merit to permit the center coupling to the adjacent cavity to enhance and stabilize the beam pre-modulation in addition to increased power handling capability.     

纳秒脉冲气体放电中逃逸电子束流的研究

经典的放电理论(Townsend和流注理论)不能很好地解释纳秒脉冲放电中的现象,近年来基于高能量电子逃逸击穿的纳秒脉冲气体放电理论研究受到广泛关注,有研究发现,高能逃逸电子是纳秒脉冲气体放电中的新特征参数,本文研制了用于测量纳秒脉冲放电中逃逸电子束流的收集器,并对脉宽3—5ns、上升沿1.2—1.6 n8激励的大气压纳秒脉冲气体放电中逃逸电子束流进行了测量,收集器采用类似法拉第杯的原理,利用金属极收集纳秒脉冲放电中的高能电子,并转换为电信号后由示波器采集,为了获得更好的逃逸电子束流波形,对逃逸电子束流收集器进行了优化设计,提高了收集器的阻抗匹配特性,基于上述的逃逸电子束流收集器,研究了纳秒脉冲气体放电中逃逸电子的特征,实验结果表明,所设计的收集器可以有效地测量到逃逸电子束流,改进设计后收集器测得的逃逸电子柬流的时间分辨率和幅值均得到提高,施加电压约80 kV时,大气压空气中的逃逸电子束流幅值可达160 mA,脉宽小于1ns,多个脉冲激励放电的结果表明逃逸电子束流收集器具有较好的可靠性,其瞬态响应与时间分辨率比较稳定。