二次发射微波电子枪的倍增特性

 利用3DRun程序通过数值模拟计算，对二次发射微波电子枪的束流倍增特性作了研究。用1维模型计算了束流倍增与腔两极间距离以及腔中场强的关系，并详细给出了腔两极间距离为10mm,场强为5-4MV/m时出射电子纵向聚束及能量聚焦过程；利用3DRun程序研究了在高频场及粒子束本身空间电荷场的共同作用下，束流在3维运动过程中的倍增特性，计算了出射束流的发射度。通过计算表明：二次发射微波电子枪可以提供低发射度、高流强的电子束。     

低反轰多腔热阴极微波电子枪物理设计

 为了开展基于自由电子激光的紧凑型太赫兹源技术研究,获得高品质（强流、低能散、低发射度）电子束,提出了一个低反轰双路微波馈入多腔热阴极微波电子枪的设计方案。用两路独立微波馈入激励微波电子枪,一路由首腔馈入激励首腔和实现阴极表面建场引出电子,另一路由后续腔馈入并通过腔间耦合激励各腔。两路微波互不耦合,通过移相器实现首腔和第2腔之间的相移连续可调。理论模拟结果表明:在一个射频周期内,热阴极微波电子枪的电子反轰功率约8 kW,平均反轰功率仅为1.2 W（重复频率25 Hz和脉宽6 μs）。     

紧凑型自聚束微波电子枪设计研究

 提出一种新的紧凑型强流电子枪结构。紧凑型自聚束微波电子枪是一个多驻波腔结构,最大特点是腔与腔之间相互没有耦合,每腔可分别独立馈入功率和调节相位。通过选择合适的馈入功率和高频相位搭配,能够得到较优的束流品质。在此基础上采用外注入电子束的结构,能进一步增大流强和降低能散度,同时消除电子反轰对阴极工作的不利影响。利用Superfish和Parmela程序对腔体结构和束流动力学反复进行计算,确定了一组结构和工作参数。模拟结果表明出束微脉冲峰值流强可以到18 A,能散度小于2‰,横向发射度小于6 πmm·mrad。最后给出腔体冷侧结果,与模拟计算结果吻合得较好。     

双微波馈入热阴极微波电子枪实验研究

中国工程物理研究院紧凑型自由电子激光太赫兹源装置采用了两路微波独立调谐热阴极微波电子枪作为注入器,一路由首腔馈入激励首腔和实现阴极表面建场并引出电子,另一路由后续腔馈入并通过腔间耦合激励各腔,两路微波互不耦合。对于这种微波激励方式,微波电子枪首腔的电场相位和幅度在实验中均可调节,因此可以通过实验研究来优化微波电子枪的工作参数,从而减小热阴极微波电子枪的电子反轰效应,提高束流品质。介绍了该热阴极微波电子枪热测实验研究的最新结果,通过BCT测得微波电子枪出口处束流强度超过400mA,电子反轰效应随着首腔电场的相位和幅度调节发生显著变化,这些指标和实验现象与理论研究结果较为吻合。     

光阴极微波电子枪中激光脉冲的时间抖动测量

 研究了光阴极微波电子枪输出电荷量与驱动激光相对于微波入射相位的关系。通过对光阴极材料在光电子发射时的肖特基效应和电子束团在电子枪内的纵向加速过程分析模拟，得到了电子枪输出电荷量与激光入射相位的一段线性关系，设计了利用此关系测量驱动激光脉冲相对于微波相位的时间抖动的实验方案。结果表明，这种测量方法可以分辨1.15fs的时间抖动，误差为0.23fs。     

铁电介质阴极电子枪

 给出并分析了铁电介质阴极电子枪的初步数值模拟和实验结果。实验表明其发射电子密度可达110A/cm²。该种电子枪产生的电流密度大于阴极发射电子初始能量为零时的空间电荷限制电流,PIC数值模拟结果表明可以通过给发射电子赋予一定的初始能量来解释这一现象,理论分析认为铁电介质阴极发射电子具有初始能量是合理的。     

热阴极微波电子枪的电子反轰现象

 利用数值模拟方法研究了热阴极微波电子枪在高重复率（200Hz）时电子反轰运动以及输出束流品质与腔长的关系，并讨论了抑制电子反轰的措施。     

单谐振腔外部Q值的计算方法

 通过对带有耦合器的单驻波腔进行等效电路分析,推导出可计算带有耦合波导的单谐振腔外部Q值的反射相位法,该方法通过计算不同频率的反射相位来确定谐振频率和外部Q值。详细叙述了在CST Microwave Studio中用谐振模式求解法、直接时域跟踪法和反射相位法进行计算的步骤;用这3种方法分别计算了二次发射微波电子枪的外部Q值并和实验测量结果做了比较。结果显示3种计算方法都有很高的精度,但反射相位法的速度最快,耗时1 071 s。计算发现外部Q值与耦合口长度的4.1次方成反比。     

微脉冲电子枪的初步实验研究

给出了微脉冲电子枪的模拟计算及其初步实验结果. 该电子枪采用铜铝镁合金作为冷阴极材料, 在以磁控管作为微波功率源的出束实验中得到了100mA/cm²的电流密度.实验结果与次级电子倍增解析计算和SEEG程序的模拟计算结果基本符合, 初步验证了微脉冲电子枪的基本原理, 为今后实验中得到更大的电流密度打下了基础.     

FEL用注入器研制

注入器设计过程中主要关注的指标有微脉冲束流强度、电子能量、电子束能散度、反轰功率和发射度等。为了满足自由电子激光研究的需要，要求峰值流强大于5A。由于热阴极微波电子枪存在电子反轰，束流负载效应将引起能散度的增加，因此为了降低能散度，要求尽量降低反轰。利用Suoerfish程序进行了腔形优化设计，分析了加速腔内的电场分布，计算了腔壁的损耗。利用Parmela程序进行了束流动力学计算。为了提高首腔的电子俘获系数，减小电子反轰，设计过场中采用了缩短首腔长度，     

电介质表面纵向射频电场对次级电子倍增效应的影响

基于次级电子倍增动力学模型和次级电子发射曲线,运用蒙特卡罗方法模拟电介质表面具有纵向射频电场作用下的单边次级电子倍增现象,研究次级电子倍增的表面电场敏感曲线和时间演化图像. 以一个S波段射频介质窗为例,计算次级电子在其介质表面的沉积功率. 结果表明,纵向射频电场可能加剧电介质表面的次级电子倍增效应,易于导致介质片破裂,不利于高频能量传输. 关键词： 纵向射频场 次级电子倍增效应 蒙特卡罗方法 功率沉积     

二次电子倍增对射频平板腔建场过程的影响

建立了射频平板腔动态建场等效电路以及腔体双边二次电子倍增的混合物理模型,利用自主编制的1D3V-PIC二次电子倍增程序和射频平板腔动态建场全电路程序,研究分析了不同腔体Q值情况下二次电子倍增对射频平板腔动态建场过程的影响.数值模拟表明：射频平板腔建场过程中不存在二次电子倍增的情况下,腔体Q值越高,建场时间越长,注入能量等于腔体储能和腔体耗能,建场前期腔体储能速度快于耗能速度,建场后期腔体耗能速度快于储能速度,建场成功后平均腔体消耗功率与平均注入功率相等.射频平板腔建场过程中存在二次电子倍增情况下,腔体Q值越高,进入二次电子倍增的时刻越晚,二次电子倍增作用时间越长;二次电子发射面积越大,二次电子电流峰值越高.二次电子倍增的持续加载,最终会导致射频平板腔建场过程的失败;腔体Q值越高或二次电子发射面积越大,射频平板腔建场成功的概率越低.相关模拟结果可为工程设计提供一定的参考.     

Carrier phase dependence in the ionization of Rydberg atoms by short radio-frequency pulses: a model system for high order harmonic generation

We report time-resolved electron emission in experiments on ionization of rubidium Rydberg atoms (n=90) by few-cycle radio-frequency (RF) (1-10 MHz) pulses. The electron emission occurs in multiple bursts and strongly depends on the carrier-envelope phase as well as the duration and amplitude of the RF pulses. Remarkably, ionization is observed during a series of cycles with the same amplitude. Even at the low RF frequencies, ionization is not completed in a single cycle. Remixing of the states at the zero crossing of the field is believed to play an essential role. Similarities with the ionization process leading to high order harmonic generation are discussed.     

Reaching the resolved tunnel regime for a femtosecond oscillator driven field emission electron source

We report on electron emission from tungsten tips with the help of 800 nm-8 fs laser pulses from a Ti:sapphire laser oscillator. We have measured autocorrelation traces of the exciting laser pulse in the photoelectron current, which allows a measurement of the non-linearity as a function of DC voltage applied to the tip. These data are well described by a numerical integration of the one-dimensional Schrödinger equation. The simulation shows us that electron emission resolves the electric field structure of the driving laser pulse, a regime which is currently an extremely fruitful area of research with atoms in the gas phase. For an 8 fs laser pulse with the correct carrier-envelope phase setting the emission duration is as short as 800 nm.     

微脉冲电子枪动力学实验研究

微脉冲电子枪是一种利用次级电子倍增效应产生强流电子束的微波电子枪.使用氧化镁作为阴极材料进行了微脉冲电子枪的高功率热测实验, 给出了不同射频功率下的发射电流波形, 并观察到了高阶次级电子倍增效应.实验结果与稳态和瞬态粒子动力学以及模拟计算结果定性符合.     

Numerical study on discharge characteristics influenced by secondary electron emission in capacitive RF argon glow discharges by fluid modeling

A one-dimensional(1D) fluid model of capacitive RF argon glow discharges between two parallel-plate electrodes at low pressure is employed. The influence of the secondary electron emission on the plasma characteristics in the discharges is investigated numerically by the model. The results show that as the secondary electron emission coefficient increases,the cycle-averaged electric field has almost no change; the cycle-averaged electron temperature in the bulk plasma almost does not change, but it increases in the two sheath regions; the cycle-averaged ionization rate, electron density, electron current density, ion current density, and total current density all increase. Also, the cycle-averaged secondary electron fluxes on the surfaces of the electrodes increase as the secondary electron emission coefficient increases. The evolutions of the electron flux, the secondary electron flux and the ion flux on the powered electrode increase as the secondary electron emission coefficient increases. The cycle-averaged electron pressure heating, electron Ohmic heating, electron heating, and ion heating in the two sheath regions increase as the secondary electron emission coefficient increases. The cycle-averaged electron energy loss increases with increasing secondary electron emission coefficient.     

负脉冲激励下PLZST电子发射特征及发射机理研究

采用固态烧结工艺制备了位于反铁电/铁电相界附近的掺镧锆锡钛酸铅（PLZST）反铁电陶瓷样品.采用该样品作为阴极材料,研究了其在负脉冲激励电场下的电子发射行为.负脉冲激励下,0.5 mm厚PLZST反铁电陶瓷圆片发射阈值电压为500 V;当激励电压为500 V,抽取电压为3.5 kV时,得到690 A发射电流.结果表明,PLZST反铁电陶瓷发射阈值电压低,发射电流大,即使激励电场低于陶瓷的正向开关电场,仍能得到强发射电流.最后,讨论了PLZST反铁电陶瓷在负脉冲激励下电子发射内在机制. 关键词： 反铁电材料 铁电阴极 电子发射     

混合场介质表面单边次级电子倍增效应统计

综合考虑发射电子的发射能量、发射角度及微波场的相位分布等因素,运用统计方法,研究了介质表面单边次级电子倍增过程中次级电子数目、瞬时直流场、渡越时间、微波场的沉积功率等次级电子倍增特征物理量随碰撞次数的变化过程,仿真分析了不同夹角、不同反射系数对次级电子倍增的影响。研究结果表明:当倾斜直流场一定时,微波场的反射系数越小,雪崩击穿的延迟时间越长,饱和状态下的次级电子数目越大;微波场一定时,当直流电场平行于介质板表面时,直流电场幅值越大,雪崩击穿的延迟时间越长,饱和状态下的次级电子数目越大,但当电场强度超过一定值时,次级电子倍增现象不再发生,当直流场垂直介质板表面,直流电场幅值越大,雪崩击穿的延迟时间越长,饱和状态下的次级电子数目越小,幅值超过一定值时,次级电子倍增现象同样不会发生。     

S波段相对论速调管振荡器的实验研究

 在20 GW加速器平台上开展了S波段相对论速调管振荡器（RKO）的单次和重复频率束流调制和微波辐射的实验研究。采用无箔空心阴极和0.9 T的恒流源磁场引出束压1 MV、束流13 kA、脉宽40 ns的环形电子束驱动RKO,该电子束经过3个紧密耦合的扩展互作用腔再经过一段漂移管的群聚后,产生了7.8 kA/20 ns的基波调制束流,该调制束流激励三轴输出腔,单次运行输出了3.5 GW的微波辐射,束波转换效率29%,脉宽20 ns;脉冲重复频率20 Hz运行时,输出微波功率3.4 GW,束波转换效率26%。该振荡器具有起振时间快、输出频谱较纯和结构紧凑等优点。     

Scenario for output pulse shortening in microwave generators drivenby relativistic electron beams

At the present time, microwave generators driven by high current relativistic electron beams are not baked and sealed, so their inner surfaces are densely covered with molecules of gas and oil. This allows the production of microwave pulses of 10^-8 s to 10^-7 s duration, but not longer. A microwave pulse termination scenario is speculated as follows: (1) Electrons oscillating in the strong RF field near the metallic surfaces multiply owing to the secondary emission (the multipactor effect); (2) the multipactor electron bombardment stimulates desorption of gas molecules from the metallic surfaces; (3) the gas undergoes avalanche RF breakdown; and (4) the resultant plasma stops microwave generation and, since electron-ion recombination is slow, does not allow the RF field to revive. At the gigawatt power level, the characteristic time of such a scenario is much shorter than that of the cathode and collector plasma expansion and electron beam instabilities. The energy output parameters of relativistic electron microwave generators can be (and usually are) improved at high pulse repetition rates. A more radical improvement is possible using the technology typical for high vacuum tubes, i.e., baking and sealing