二次发射微波电子枪的模拟计算及其特性分析

 采用URMEL-T程序进行了二次发射微波电子枪的腔内电磁计算和特性分析。同时利用URMEL-T得出的腔内轴向电场及自编程序,模拟电子在该高频场作用下的运动。计算表明二次发射微波电子枪确实具有相位选择性,进而探讨了腔形尺寸、射频电场强度对相位选择性和产生二次倍增的有关条件的影响,以及输出电子的能量稳定性。模拟结果表明,这类电子枪（MPG）可得到高电流密度（5303A/cm²）及短脉冲（3.15~10ps）的电子束。     

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，     

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。     

低反轰热阴极微波电子枪初步实验

 简述了紧凑型自由电子激光太赫兹源研制的系统设计方案,介绍了具有两路微波馈入的热阴极微波电子枪的研制与测试情况,利用束流传感器测试了束流强度,并利用CCD相机测试了束斑大小,给出了微波电子枪通过初步热测实验得到的结果。测得微波电子枪出口处束流强度超过500 mA,束斑约3 mm,采用双屏法测量束流发射度,得到归一化发射度约为13.5 π·mm·mrad,测试指标与理论设计值吻合较好。     

X波段盘圈加速结构热阴极微波电子枪的研究

介绍了采用盘圈(DAW)加速结构在11.43GHz下研制的热阴极微波电子枪注入器，分析了注入器中DAW加速结构支撑杆对于微波特性的影响以及加速结构中的模式重叠问题. 针对该结构的强腔间耦合以及次临近耦合不能忽略的特点，对其调谐方法进行了分析研究.给出了该长腔链热阴极微波电子枪注入器的物理设计及粒子动力学计算结果，电子能量为5—6MeV，脉冲流强为40mA，电子束发射度为3.4πmm.mrad. 该微波电子枪的加工焊接已经完成，文中给出了其冷测结果.     

介质窗横向电磁场分布下的次级电子倍增效应

本文利用自编P3D3V PIC程序, 数值研究了BJ32矩波导传输TE₁₀模式高功率微波在介质窗内、 外表面引发的次级电子倍增过程, 给出了次级电子3维空间位置分布特征、介质窗表面法向静电场分布规律以及电子数密度分布特性. 模拟结果表明: 对于介质窗内侧, 微波强场区域率先进入次级电子倍增过程; 而对于介质窗外侧, 则是微波弱场区域优先进入次级电子倍增过程. 形成机理可以解释为: 微波坡印廷矢量方向与介质窗外表面法向相同而与内表面法向相反, 内侧漂移运动导致强场区域电子易于被推回表面, 有利于次级电子倍增优先形成; 外侧漂移运动导致强场区域电子易于被推离表面, 不利于次级电子倍增形成. 准3维模型相对1维模型: 介质窗内侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间长、饱和次级电子数目少、平均电子能量高、 入射微波功率低、沉积功率低; 介质窗外侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间短、饱和次级电子数目少、平均电子能量低、 入射微波功率低、沉积功率低. 沉积功率与入射微波功率比值与微波模式、强度及介质窗内外侧表面关系不大, 准3维和1维模型计算结果均在1%–2%左右水平. 关键词： 高功率微波 介质表面次级电子倍增 粒子模拟 横向电磁场分布     

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。     

多腔热阴极微波电子枪的实验研究

详细介绍了用于北京自由电子激光器(BFEL)多腔热阴极微波电子枪的实验研究情况,通过对该微波电子枪出口脉冲电流波形和宏脉冲不同时间位置电子能谱的测量,表明该枪大大减小了电子反轰功率. 实验测量得到通过α磁铁的束流强度约为200mA,束流发射度约为20-30π·mm·mrad,并且,还将实验得到的能谱与模拟结果作了比较.     

光阴极RF腔注入器束流发射度研究

 分析了光阴极RF腔注入器中的RF场效应和空间电荷效应，给出了电子在加速腔中束流发射度的解析表达式，它说明在加速过程中束流发射度是振荡变化的。利用SUPERFISH和GPT程序模拟计算了光阴极1+1/2腔注入器输出束流发射度与加速场强、注入相位、束团大小和形状、束团电荷的关系。适当选择这些条件，可以获得横向发射度小于2πmm·mrad 的输出束流。     

混频＋m腔微波电子枪束流动力学特性

为了使自由电子激光器的电子束注入器具有小的能散，小的横向发射度、高的亮度，本文提出在　腔的微波电子枪中采用混频腔技术，并用解析方法研究了混频加速的　腔方案的动力学特性，所导出的表达式说明此方案能改善束流的纵向和横向粒子动力学性能；为了对比，还借助于ＰＡＲＭＥＬＡ程序对此方案进行了束流动力学模拟，结论与导出的解析表达式结果一致．     

Ka波段带状注相对论扩展互作用速调管放大器的分析与设计

带状注相对论扩展互作用速调管放大器是一种高功率、高频率的微波毫米波放大型器件, 具有广阔的应用前景. 本文分析了扩展互作用结构多间隙谐振腔的渡越时间效应, 推导了2π模场情况下谐振腔的能量交换系数和电子负载电导, 且通过计算表明工作在2π模式三间隙腔的电子负载电导是单间隙腔的9倍左右, 多间隙结构有利于提高器件效率. 利用三维粒子仿真软件, 对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用速调管放大器进行了模拟研究, 采用宽高比为30:1的带状电子束以降低空间电荷效应, 在电子束电压为500 kV, 束流为1 kA, 轴向引导磁感应强度为0.8 T的情况下, 器件输出微波功率为190 MW, 频率为40 GHz, 器件效率为38%, 器件增益为69 dB.     

S波段6 MeV边耦合电子直线加速器的设计研究（英文）北大核心CSCD

近年来,对紧凑、稳定及可靠型电子直线加速器的需求越来越多,其能量主要分布在几百keV到十几个MeV的范围内,其中需求最多的则是能量在MeV量级的微波电子直线加速器。在这种形势下,中国科学院高能物理研究所正在研制一台S波段6 MeV的边耦合电子直线加速器,本文对基于该加速器的模拟计算研究进行了介绍。EGUN和HFSS分别用来设计电子枪和边耦合加速结构。通过将EGUN计算得到的电子束流参数和HFSS计算得到的三维电磁场分布数据引入到PARMELA中,完成了对该加速器的多粒子动力学研究。模拟结果显示,所设计的加速器完全能够满足设计指标的要求。最终,在考虑束流负载效应的因素后,完成了边耦合加速结构的微波结构设计。     

Electron Optic System of Powerful Large Orbit Gyrotron with Pulse Magnetic Field

Short-pulse powerful Large Orbit Gyrotron with total electron energy about 400 kV and beam power in the cavity up to 100 MW is now under developing at FIR FU. Suitable for 200 ns pulse duration electron-optic system is analyzed. Results of numerical simulation for explosion emission cusp-type electron guns and magnetic field intensity about 8 T are presented. Sensitivity of the guns to small deviations from the nominal operating regime is investigated. Some versions of the gun with different accelerating potential as well as different beam current passing through the cavity (60-300A) are suggested. Current reduction simplifies the problems of mode competition and potential depression in the cavity, but at the same time decrease output power. To diminish current special diaphragms are suggested. Results of numerical simulation of collector corresponding to each version of the gun design including power density distributions along its surface are presented. It is shown that beam quality and collector regimes are suitable for LOG operation.     

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%.     

微束斑X射线源LaB_6阴极电子枪的设计

LaB6阴极电子枪是微束斑X射线源的关键组成部件之一。详细的讨论了电子枪的各组成电极 ,即LaB6阴极、Wehnelt栅极和阳极的设计。采用边界元法 (BEM )对电子枪内部电场电位和场强分布进行了有效的数值计算 ,并从阴极开始起利用四阶Runge Kutta法追踪电子的运动轨迹。给出了当阳极端口处电子束半径为设计值时各电极电压、电极结构等工作参量 ,利用该LaB6阴极电子枪可以满足微束斑X射线源需要高亮度、微细电子束发射的要求。     

微脉冲电子枪的动力学研究

 利用SEEG程序模拟计算了微脉冲电子枪束流动力学问题。在不考虑空间电荷效应的情况下，模拟了在微脉冲电子枪中电子纵向聚束的过程。进而详细研究了在空间电荷效应作用及相聚过程共同作用下形成饱和电流的过程。在此基础上，给出了经过优化后的微脉冲电子枪腔型特性,使用SEEG程序对该枪进行束流动力学模拟计算。最后给出一个实验用微脉冲电子枪的物理设计。     

独立调谐热阴极微波电子枪实验研究

为了研制紧凑型自由电子激光装置,开展自由电子激光太赫兹技术研究,需要研制微波电子枪作为高品质电子束源,为此,中国工程物理研究院研制了独立调谐热阴极微波电子枪。在前期进行了初步热测实验的基础上,通过改进实验环境、优化实验参数,进一步开展大量实验,深入研究了热阴极微波电子枪的热测实验结果。实验结果表明:微波电子枪出口处束流强度可超过500 mA,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。该热阴极微波电子枪已经应用于紧凑型自由电子激光装置。     

电子束收集极对大间隙速调管输出腔效率的影响

 利用高频电磁软件对带电子束收集极的S波段大间隙输出腔进行了高频特性分析,采用3维PIC程序模拟了电子束收集极对大间隙速调管输出效率的影响。研究结果表明：收集极的存在会改变输出腔的本征谐振频率和电子束路径上的特性阻抗等高频特性,但收集极可以短路间隙附近的径向电场,减小电子束的空间电荷压力,同时对群聚电子进行再加速,从而提高大间隙速调管的输出效率;在束电压700 kV,直流电流6 kA时,优化后的带收集极的大间隙输出腔可稳定提取大于1.68 GW的微波功率,提取效率约40.1%,比无收集极时提高约5%。