离子通道相对论电子束受激辐射

利用等离子体中所形成的暂态离子通道，对建立在以离子聚焦方式(IFR)为基础的相对论电子束受激辐射问题，进行了系统的理论研究及数值模拟计算。本文对问题的描述和求解方法不仅对进一步研究这类等离子体电磁不稳定性提供了一条较好的理论研究线索，而且研究结果对形成新一类高功率毫米波器件也展现出一种极大的潜力。本文共分四个部分：第一部分描述了引导电     

在电子回旋共振等离子体中的非线性现象

文章介绍了在电子回旋共振等离子体中的两类非线性现象：混沌和鞘．观察到准周期和锁频以及等离子体的基频振荡突变到四次谐波的现象，分析了锁频窗内的周期２分叉，测量了等离子体鞘，研究了二次电子发射对鞘的影响．     

离子通道中相对论电子注的切连科夫辐射

对入射等离子体的相对论电子注(REB)在离子通道中可能产生切连科夫(Cherenkov)辐射的问题进行了论证与研究.利用线性理论分析了离子背景下的注-波互作用关系，导出了系统的色散方程与同步辐射条件.结果表明，系统的电磁不稳定性是由离子通道中TM模与电子注模通过电子注耦合所致，其微观机理是离子对电子注的聚焦.对处于运动等离子体状态下的离子-注系统进行了严格地理论分析，获得了通道内辐射波的频偏与波增长率公式，并通过数值模拟计算讨论了系统有关参数对它们的影响. 关键词： 离子通道 等离子体 切连科夫辐射     

离子通道中的虚阴极辐射

提出了一种新型的基于等离子体的多级虚阴极振荡器物理模型并展开了研究.研究表明:当电子束通过稠密等离子体背景时,由于离子背景和焦点处虚阴极的共同作用,得以形成多级虚阴极;多级虚阴极对电子的作用,使电子在各级之间振荡,从而产生高功率微波辐射.这是与离子通道横向的betatron振荡完全不同的一种辐射机理.通过质点网格(particle in cell)法模拟验证了多级虚阴极的形成,模拟中发现,所选参数TM024模被激发起来.最后,在所建模型的基础之上对辐射特性做了详细分析.     

非均匀等离子体中受激Raman散射非线性行为

鉴于实际中等离子体不均匀性和非周期性边界条件，建立了受激Ｒａｍａｎ散射（ＳＲＳ）和受激Ｂｒｉｌｌｏｕｒｉｎ散射（ＳＢＳ）非线性耦合模型。ＳＢＳ对ＳＲＳ的影响主要表现在两方面：１）Ｌａｎｇｍｕｉｒ波与离子声波的非线性相互作用，２）ＳＢＳ与ＳＲＳ的竞争。本文研究了离子声衰变不稳定性、离子声波对Ｌａｎｇｍｕｉｒ波的非共振散射两种非线性过程在ＳＲＳ发展过程中的作用，给出一维不均匀等离子体中ＳＲＳ发展图象。Ｌａｎｇｍｕｉｒ波向短波转换，从而被强烈阻尼是抑制ＳＲＳ的重要机制。文中给出了ＳＢＳ／ＳＲＳ耦合过程中决定ＳＲ 关键词：     

回旋速调管注-波互作用非线性理论研究

利用自洽非线性理论对回旋速调管放大器中的电子注-波互作用进行了时域瞬态分析,建立了多腔回旋速调管非线性理论,给出了相应的电子运动方程和复数形式的互作用瞬态场方程。给出并分析了一支工作在TE01模Ka波段四腔回旋速调管注-波互作用的数值计算结果,当电子注电压为72.8 kV,电流为11.8 A,速度零散为5%时,可以得到335 kW的最大饱和功率输出,39.6%的电子效率及320 MHz的饱和带宽,与实验值相比较,二者较为吻合。     

回旋速调管注-波互作用非线性理论研究

 利用自洽非线性理论对回旋速调管放大器中的电子注-波互作用进行了时域瞬态分析,建立了多腔回旋速调管非线性理论,给出了相应的电子运动方程和复数形式的互作用瞬态场方程。给出并分析了一支工作在TE01模Ka波段四腔回旋速调管注-波互作用的数值计算结果,当电子注电压为72.8 kV,电流为11.8 A,速度零散为5%时,可以得到335 kW的最大饱和功率输出,39.6%的电子效率及320 MHz的饱和带宽,与实验值相比较,二者较为吻合。     

两个级联型三能级原子受激辐射的非线性性质

本文研究了两个级联型三能级原子同单模腔场的非线性相互作用.研究表明: 在激发场场强达到一定阈值以后, 两个原子的合作辐射效应变成同步辐射, 即多原子系统在一定阈值条件下可以有组织成相当于一个大原子的系统, 而产生同步有序辐射. 同时, 由于这种同步辐射效应, 两原子系统的受激辐射的二阶相干度相对于单原子系统的要大, 即聚束效应强而反聚束效应弱. 另外, 两原子系统由于多光子过程的加强而有更深的压缩效应, 此时要求的激发场场强也比单原子系统的要强. 关键词：     

70 GHz二次谐波倍频回旋速调管研究

 对70 GHz二次谐波倍频回旋速调管高频结构和电子与波互作用进行了研究。研究了TE02模腔体绕射品质因数及模式转化,解决了二次谐波倍频回旋速调管漂移段不能截止70 GHz的TE01模而引起的腔体间高频串扰的问题。分析了注电流、输入功率、电子横纵速度比和电子注引导中心半径等参数对输出功率、增益和效率的影响。针对二次谐波回旋速调管放大器工作频带窄、效率低,进行了高频结构优化设计,显著地展宽了工作频带,提高了互作用效率。在理论分析和高频计算的基础上,建立了注-波互作用PIC（粒子模拟）模型,进行了粒子模拟计算和优化,得到了70 GHz 的二次谐波倍频四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟结果表明：在工作电压70 kV,注电流13 A,电子注横向速度与纵向速度比为1.5时,中心频率69.81 GHz输出功率256 kW,带宽160 MHz,电子效率28%,饱和增益大于44 dB。     

回旋速调管注波互作用瞬态非线性理论与模型研究

本文利用自洽非线性理论对回旋速调管放大器中的电子注-波互作用进行了时域瞬态分析,建立了多腔回旋速调管非线性理论,给出了相应的电子运动方程和复数形式的互作用瞬态场方程.探讨了调制腔、中间腔、和输出腔中注-波互作用的模型和研究方法,考虑了电子速度零散对注-波互作用的影响.最后利用FORTRAN语言给出并分析了一支Kα波段四腔回旋速调管注-波互作用的数值计算结果,经与实验值和PIC模拟结果相比较,三者较为符合. 关键词： 回旋速调管 电子注-波互作用 瞬态非线性理论     

电子回旋共振氩等离子体中亚稳态粒子数密度及电子温度的测量

测量了电子回旋共振（ECR）氩等离子体中Ar的1s₅亚稳态粒子数密度，在气压 为02—0 8 Pa、功率为500—700W的范围内，利用吸收光谱法测量了Ar原子8115 nm谱线的吸收强 度，得到1s₅亚稳态粒子数密度为1×10¹⁵—4×10¹⁵ m ^-3.本文综合考 虑基态和1s₅亚稳态粒子的激发对Ar发射谱线强度的贡献后，用两条发射谱线强 度之比得 到电子温度.结果表明，计入了1s₅亚稳态激发的贡献后，所得到的电子温度与 只考虑基态的贡献得到的电子温度相比存在较大的差别. 关键词： 光谱法 亚稳态粒子数密度 电子温度 ECR等离子体源     

Linear theory of an electron cyclotron maser operating at the fundamental

The linear theory of an electron cyclotron maser (ECM) operating at the fundamental is developed. A set of analytic expressions, valid for all TE cavity modes, is derived for the starting current and frequency detuning using the Vlasov-Maxwell equations in the weakly relativistic limit. These results are applicable for an arbitrary electron velocity distribution as well as any longitudinal distribution of the RF field. It is shown that the starting current can be expressed in a simple form which contains the Fourier trans-form of the longitudinal field distribution. Analytic results are presented for specific longitudinal field variations, including uniform, sinusoidal, and Gaussian. It is found that the starting characteristics of an ECM are strongly influenced by the axial dependence of the RF field, but weakly affected by the velocity spread of the electron beam. The problem of multimode oscillation is treated in the linear theory by using a Slater expansion of the cavity field. The complete formulation for mode competition based on this expansion is presented and preliminary results are derived. This comprehensive analysis of ECM linear theory should be useful as a diagnostic of ECM performance and should facilitate comparison between theory and experiment.Work supported by U.S.D.O.E. Contract DE-AC-02-80ER52059Supported by U.S. Department of EnergySupported by National Science Foundation     

Density profiles in tokamaks from electron cyclotron radiation spectra

Measurement of the line shape of optically thick and optically thin lines in the electron cyclotron radiation spectrum emitted by a tokamak plasma may yield both electron temperature and density profiles. Currently temperature profiles are routinely extracted from optically thick lines. Consequently, this paper is addressed to the density profile problem. Algorithms for extracting density profiles are outlined in the case of uncontrolled reflection and controlled reflection of the cyclotron radiation within the tokamak vacuum chamber.     

The enhanced nonlinear stimulated emission effect of an atomic beam by using an injection Fabry-Perot spherical cavity

When a high-intensity laser beam passes through a resonant atomic beam,non-linear stimulated emission effect will be produced.This effect can be enhanced up to two or-ders of magnitude by using an injection Fabry-Perot cavity.Experiments show that thismethod has high measuring contrast and high spectral resolution when it is used to measure thehyperfine absorption lines of atomic beams.     

Field emission studies of silver nanoparticles synthesized by electron cyclotron resonance plasma

Field emission has been studied for silver nanoparticles (25-200 nm), deposited within a cylindrical silver target in an electron cyclotron resonance (ECR) plasma. Particle size distribution was controlled by optimum biasing voltages between the chamber and the target. Presence of non-oxidized silver was confirmed from the X-Ray diffraction analysis; however, thin protective layer of oxide was identified from the selective area electron diffraction pattern obtained with transmission electron microscopy. The silver nanoparticles were seen to exhibit hilly pointed like structures when viewed under the atomic force microscopy (AFM). The emissive properties of these particles were investigated by field emission microscopy. It is found that this technique of deposition is ideal for formation of nanoparticles films on different substrate geometries with size controllability as well as its application to emission devices.     

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.     

微型电子回旋共振离子推力器离子源结构优化实验研究

微型电子回旋共振(ECR)离子推力器可满足微小航天器空间探测的推进需求. 为此, 本文开展直径20 mm的微型ECR离子源结构优化实验研究. 根据放电室内静磁场和ECR谐振区的分布特点, 研究不同微波耦合输入位置对离子源性能的影响, 结果表明环形天线处在高于ECR谐振强度的强磁场区域时, 微波与等离子体实现无损耦合, 电子共振加热效果显著, 引出离子束流较大. 根据放电室电磁截止特性, 结合微波电场计算, 研究放电容积对离子源性能的影响, 实验表明过长或过短的腔体长度会导致引出离子束流下降甚至等离子体熄灭. 经优化后离子源性能测试表明, 在入射微波功率2.1 W、氩气流量14.9 μg/s下, 可引出离子束流5.4 mA, 气体放电损耗和利用率分别为389 W/A和15%.     

离子通道电子束回旋脉塞的等离子体波效应

研究了离子通道回旋电子束脉塞（ICECM）中的等离子体波非线性效应。利用流体理论与自洽非线性理论方法对ICECM中等离子体波效应的微观机理进行了分析。研究发现,等离子体波加强了电子束的纵向群聚,束-波互作用的能量交换效率及系统增益得到明显提高。数值模拟计算表明,对于中等等离子体密度、1.5kA电流和1MV加速电压的电子束,系统能够获得的脉冲功率和频率分别为200MW和280GHz的毫米波束。     

电子回旋共振等离子体密度均匀性的数值研究

基于漂移扩散近似,在轴对称假设下,对电子回旋共振等离子体源腔室内的等离子体建立了二维流体模型.采用有限差分法对所建立的模型进行了自洽数值模拟,得到了等离子体密度均匀性随时间演化的数值结果.通过对数值结果的分析,研究了背景气体压强、微波功率和磁场线圈电流对等离子体密度均匀性的影响.研究表明,在电离初期,电子密度的均匀性好于离子密度的均匀性.在电离后期,离子密度的均匀性好于电子密度的均匀性.随着背景气体压强的增大,电子密度和离子密度的均匀性都在增加,且离子密度的均匀性增加的更快.随着微波功率的增大,电子密度和 关键词： 等离子体密度均匀性 背景气体压强 微波功率 磁场线圈电流