强流多注相对论速调管中电子束特性的初步研究

多注速调管采用多个低导流系数的电子束并行工作,相对于常规单注结构速调管具有工作电压低、效率和增益高等特点,但多电子束特性会带来新的影响．本文基于这方面需求,对强流多注电子束在多注器件结构中的传输特性进行了理论分析、计算机模拟和初步实验研究,研究结果表明多注电子束各束之间的空间电荷力作用会使得电子束绕系统中心旋转,而各束自身的空间电荷力作用,会使得电子束绕束自身中心旋转,并发生扩散,两种作用都可能会使得电子束在传输过程中发生损失．     

强流相对论多注电子束研究进展

研制了基于爆炸发射的扇形和圆柱形多注阴极系统,并开展了强流相对论多注电子束的实验研究。研究发现：扇形多注阴极由于发射端面电场分布严重不均,电子束主要由尖端发射,束斑畸变明显,当每注扇形电子束进入到多注扇形漂移管内时,在空间电磁场的作用下电子束会绕束心旋转,导致束斑的畸变和束流的损失;圆柱形多注阴极发射端电场分布相对均匀,电子束斑畸变较小,每注电子束在多注漂移管内绕束心的旋转不会引起束斑的畸变和束流的损失;由于阴极杆和多注阴极柱的发射,多注电子束品质较差,进入多注漂移管时存在电子束轰击管壁现象,造成束流的损失甚至截止。采用大内径磁场可增大阳极筒内半径,明显提高束流的传输效率。目前,采用功率约6.5 GW、传输效率约89%的相对论多注电子束驱动的多注速调管,可实现GW量级的微波输出。     

扇形多注强流相对论电子束的产生与传输研究

多注相对论速调管相对于常规相对论速调管, 每注电子束具有更低的导流系数和更低的空间电荷力, 却具有更高的束波转换效率. 本文基于这方面的需求, 通过三维软件模拟与实验研究了扇形多注强流相对论电子束的产生与传输. 通过建立电子枪的三维模型, 分析了阴极端面静电场的分布及其对电子束产生的影响; 通过粒子模拟获得了发射束流, 然后通过粒子跟踪仿真, 得到了电子束在空心漂移管和多扇形孔漂移管中传输的束斑图, 并对其进行了理论分析与解释. 模拟和实验结果表明, 电子束在空心漂移管传输过程中不仅绕束自身中心旋转, 还绕系统的中心旋转, 通过旋转多扇形孔漂移管实现对中的方法可提高传输效率.     

静电加速管中强流空间电荷效应的研究

 对一种工业用大功率电子加速器(450kW)的加速管中的空间电荷效应作了5点假设，建立了物理模型。对模型的束内外径向电位分布、空间电荷对轴上电位的影响，以及空间电荷力对束流传输的影响等进行了理论分析，得到了束内径向电位分布。结果表明：束流内部径向电位沿径向均呈抛物线变化，并在轴上达到最小值；而空间电荷产生的束内电场与半径呈线性变化；空间电荷不仅会引起轴上电位的跌落，而且对束流有发散作用，特别是在电子速度较低时更为明显。在考虑了空间电荷效应后，强流静电加速管的电场设计关键在加速管的前端，与弱流加速管相比，强流加速管的电场变化要大得多。     

静电加速管中强流空间电荷效应的研究

对一种工业用大功率电子加速器(450kW)的加速管中的空间电荷效应作了5点假设,建立了物理模型。对模型的束内外径向电位分布、空间电荷对轴上电位的影响,以及空间电荷力对束流传输的影响等进行了理论分析,得到了束内径向电位分布。结果表明：束流内部径向电位沿径向均呈抛物线变化,并在轴上达到最小值;而空间电荷产生的束内电场与半径呈线性变化;空间电荷不仅会引起轴上电位的跌落,而且对束流有发散作用,特别是在电子速度较低时更为明显。在考虑了空间电荷效应后,强流静电加速管的电场设计关键在加速管的前端,与弱流加速管相比,强流加速管的电场变化要大得多。     

重复频率强流电子束二极管实验研究

 采用静电场模拟对二极管结构及导引磁场位形分布进行了优化设计，利用设计的二极管在高压脉冲发生器上进行了重复频率运行实验研究，给出了相应测试波形，并对不同材料阴极、不同真空度情况下二极管的发射特性进行了比较。在二极管真空度满足一定要求（p＜0.01Pa）条件下以在重复频率方式运行时，不论是石墨阴极还是金属阴极，输出电子束流都比较稳定。设计的二极管电子束电压超过500kV，电流约5kA，脉冲宽度40ns，重复频率100Hz。     

采用组合引导磁场的多注二极管设计

分析了采用单一同轴磁场时强流相对论多注阴极的侧端发射问题,研究了在不同磁场内半径和多注漂移管长度情况下多注电子束的传输效率。研究发现：由于引导磁场尺寸有限,高压下多注阴极杆及多注阴极柱的电子束发射是影响多注电子束传输效率的主要因素,且该部分电子束对多注漂移管入口管壁的轰击直接影响了多注速调管的重频能力。设计了采用永磁铁和同轴磁场组合工作的强流相对论多注二极管,理论分析和模拟计算证明：基于组合磁场的多注二极管可明显减弱甚至抑制多注阴极发射球头以外的电子束发射,并且组合磁场的磁场位形和强度可满足强流相对论多注电子束的高效、稳定传输。

     

强流多注电子束高效率引入的模拟研究

强流相对论多注速调管相对于单注速调管具有导流系数低,输出功率高和效率高的优点,并且可以明显降低引导磁场强度,因此得到快速发展。但是其多注电子束引入漂移管效率低的问题,影响了多注速调管的整管效率,限制了其稳定高效运行和应用推广。论文采用粒子仿真软件CHIPIC对多注速调管二极管爆炸发射过程进行仿真研究,寻找影响多注速调管引入效率的主要因素,并对阴极结构进行了优化,设计出三种两段式新型多注阴极结构并进行冷阴极爆炸发射模拟研究。研究结果表明：给定参数下,常规结构由于底座边缘的不必要的环形电子束发射,只能达到82%的引入效率,而三种新型阴极结构通过抑制不必要电子发射,引入效率都可以提高至95%以上,最高达到99%。     

重复频率强流电子束的产生和传输实验研究

电子束真空二极管重复频率运行时,它将表现出与单次运行时不同的特点。在电子束产生过程中,屏蔽半径应尽可能地小,且击穿延时时间较短,故选择石墨作为阴极材料。实验结果表明：在重复频率运行时,当环型阴极环厚较薄时,阴极的发射电流密度较大,因此对阴极的加热效应也加强,等离子体的膨胀速度加快,从而使得二极管阻抗减小,最后几次输出的电子束的电流较大,而电压减小;当重复频率较高时,由于加热效应使得阴极等离子体膨胀速度加快,最后几个脉冲阴极发射能力增强,波形重复性变差;当引导磁场强度增大时,阴极等离子体受到较大的磁场力约束,横向膨胀速度减慢,从而使得电子发射面积减小,总发射电流减小,二极管的阻抗增大。最后取引导磁场为1.5 T,阴极环厚为1 mm,得到重复频率100 Hz、束压827 kV、束流8.22 kA、脉冲波形之间重复性很好的均匀电子束输出。     

重复频率强流电子束的产生和传输实验研究

 电子束真空二极管重复频率运行时,它将表现出与单次运行时不同的特点。在电子束产生过程中,屏蔽半径应尽可能地小,且击穿延时时间较短,故选择石墨作为阴极材料。实验结果表明：在重复频率运行时,当环型阴极环厚较薄时,阴极的发射电流密度较大,因此对阴极的加热效应也加强,等离子体的膨胀速度加快,从而使得二极管阻抗减小,最后几次输出的电子束的电流较大,而电压减小;当重复频率较高时,由于加热效应使得阴极等离子体膨胀速度加快,最后几个脉冲阴极发射能力增强,波形重复性变差;当引导磁场强度增大时,阴极等离子体受到较大的磁场力约束,横向膨胀速度减慢,从而使得电子发射面积减小,总发射电流减小,二极管的阻抗增大。最后取引导磁场为1.5 T,阴极环厚为1 mm,得到重复频率100 Hz、束压827 kV、束流8.22 kA、脉冲波形之间重复性很好的均匀电子束输出。     

强流束二极管绝缘子结构设计与实验研究

 介绍了一种应用于强流束二极管的径向绝缘结构,并对其在纳秒脉冲条件下的沿面闪络放电现象进行了研究。使用计算机模拟静电场的方法,对锥形结构绝缘子表面的电场分布进行了研究,优化了几何结构参数。在脉宽为40 ns,重复频率100 Hz的脉冲功率源上对绝缘子进行了实验研究。在历时18个月及100 000次脉冲实验后,发现绝缘子表面具有明显的树枝状放电现象,树枝状放电的根部碳化严重,绝缘子深度方向被完全击穿碳化,出现孔洞。基于固-液交界面闪络特性,对树枝状放电的可能原因进行了探讨。     

强流束二极管绝缘子结构设计与实验研究

介绍了一种应用于强流束二极管的径向绝缘结构,并对其在纳秒脉冲条件下的沿面闪络放电现象进行了研究。使用计算机模拟静电场的方法,对锥形结构绝缘子表面的电场分布进行了研究,优化了几何结构参数。在脉宽为40 ns,重复频率100 Hz的脉冲功率源上对绝缘子进行了实验研究。在历时18个月及100 000次脉冲实验后,发现绝缘子表面具有明显的树枝状放电现象,树枝状放电的根部碳化严重,绝缘子深度方向被完全击穿碳化,出现孔洞。基于固-液交界面闪络特性,对树枝状放电的可能原因进行了探讨。     

无箔二极管强流电子束空间密度分布初步研究

通过在强磁场条件下,利用环形刀口石墨阴极(刀口尺寸38~39mm)开展电子束轰击收集极内表面铜箔和垂直轰击金属靶片实验,对无箔二极管中电子束的空间密度分布进行了初步研究,并对其产生原因进行了分析。研究结果表明,电子束径向分布在37.2~40.2mm,存在密度较高区域(38.8~39.4mm)和密度最大值点(39.2mm),且均偏向于阴极外侧。无箔二极管环形阴极爆炸发射产生电子束的径向密度分布可用偏态分布近似。     

无箔二极管强流电子束空间密度分布初步研究

通过在强磁场条件下, 利用环形刀口石墨阴极（刀口尺寸38~39 mm）开展电子束轰击收集极内表面铜箔和垂直轰击金属靶片实验, 对无箔二极管中电子束的空间密度分布进行了初步研究, 并对其产生原因进行了分析。研究结果表明, 电子束径向分布在37.2~40.2 mm, 存在密度较高区域（38.8~39.4 mm）和密度最大值点（39.2 mm）, 且均偏向于阴极外侧。无箔二极管环形阴极爆炸发射产生电子束的径向密度分布可用偏态分布近似。     

CSR电子冷却系统强流电子束包络的振荡特性

HIRFL CSR的电子冷却系统是采用强流电子束对重离子束进行冷却。在冷却段漂移管区,由于强流电子束自身的空间电荷场和螺线管磁场的作用,使得电子束的包络发生振荡。通过求解电子束的横向包络方程,研究了强流电子束包络随电子束参数和螺线管聚焦磁场的变化关系。计算结果表明：对于不同的电子束能量和磁场,电子束包络的振荡频率也不相同;在相同的条件下,磁场越强,电子束包络振荡幅度越小,电子束能量越大,其包络的振荡频率也越快。     

同轴型强流电子束二极管的一种解析近似

从描述电子束运动的基本方程出发,引入一定条件下的近似,获得了一种实用的同轴二极管电流、电压与几何参数关系的近似解析解。给出了同轴二极管阻抗、间隙电压分布与二极管外加电压以及结构参数之间的关系式,并与1维模型精确数值解进行比较分析。采用了PIC数值模拟方法对该理论分析结果在常用参数范围内的准确性进行了验证,获得了一致的结果。与相对论条件下的实验结果数据相比,在二极管电压为300～700 kV时实验结果与该理论估算值非常接近。     

强流脉冲电子束表面改性的物理模型及数值模拟

推导出了强流脉冲电子束处理过程的应力场方程,利用数值模拟,得到了温度场和应力场的分布曲线,分别给出了熔化深度、升降温的速率及温度梯度的大小,准静态应力和热应力波的幅值、应力波的传播及反射过程,利用数值模拟结果对实验中观察到的实验现象熔化深度、材料表层及次表层数微米范围内组织结构的变化及数百微米的硬度提高等给出了解释。     

Effect of longitudinal applied magnetic field on the self-pinched critical current in intense electron beam diode

The effect of applied longitudinal magnetic field on the self-pinched critical current in the intense electron beam diode is discussed. The self-pinched critical current is derived and its validity is tested by numerical simulations. The results shows that an applied longitudinal magnetic field tends to increase the self-pinched critical current. Without the effect of anode plasma, the maximal diode current approximately equals the self-pinched critical current with the longitudinal magnetic field applied; when self-pinched occurs, the diode current approaches the self-pinched critical current.