Matching by solenoids in space charge dominated LEBTs

The betatron matching of a rotationally asymmetric beam in space charge dominated low-energy beam transports (LEBTs) where solenoids are used for the transverse matching has been studied.For better understanding, the coupling elements of a beam matrix are interpreted in special forms that are products of a term defined by the Larmor rotation angle and another by the difference between the beam matrix elements in the two transverse planes.The coupling form originally derived from the rotationally symmetric field in solenoids still holds when taking into account the rotationally asymmetric space charge forces that are due to the unequal emittance in the two transverse planes.It is shown in this paper that when an LEBT mainly comprising solenoids transports a beam having unequal emittance in the two transverse planes and the linear space charge force is taken into account, the initial Twiss parameters can be modified to obtain the minimum and equal emittance at the LEBT exit.The TRACE3D calculations also prove the principle.However, when quadrupoles that are also rotationally asymmetric are involved in between solenoids, the coupling between the two transverse planes becomes more complicated and the emittance increase is usually unavoidable.A matching example using the CSNS (China Spallation Neutron Source) LEBT conditions is also presented.     

Transverse dynamics of space charge dominated beam during bunching

In this paper we present a technique to optimize the transport parameters for transverse matching of the space charge dominated beams in the presence of bunching. The increase in the current within the specified bunch width during the transport is obtained from the disc model and is included in the optimization method. A 2D particle in cell (PIC) code is then developed to study the details transverse dynamics of the bunch taking into account the effect of longitudinal compression by reweighting the charge and mass of macroparticles. The evolution of rms beam size obtained using PIC simulation agrees well with the results obtained by solving beam envelope equation. The PIC simulation shows emittance growth during bunching induced by the space charge effect for nonuniform distribution. The growth in the emittance increases with the nonlinearity of distribution and peaks near the time focus.     

磁绝缘线振荡器中空间电荷的调制

 首次研究了磁绝缘线振荡器中射频场（包括辐射波场和空间电荷波场）对空间电荷的调制,得到了在饱和时谐波电流一阶分量的公式。这个公式表明：考虑空间电荷波时,在小信号和辐射波与空间电荷波同相的条件下,它将增强谐波电流。在大信号时,情况不确定;谐波电流一阶分量将随二极管上电压的增加而增加,随运行频率和饱和长度的增加而减少。     

磁绝缘线振荡器中空间电荷的调制

首次研究了磁绝缘线振荡器中射频场（包括辐射波场和空间电荷波场）对空间电荷的调制,得到了在饱和时谐波电流一阶分量的公式。这个公式表明：考虑空间电荷波时,在小信号和辐射波与空间电荷波同相的条件下,它将增强谐波电流。在大信号时,情况不确定;谐波电流一阶分量将随二极管上电压的增加而增加,随运行频率和饱和长度的增加而减少。     

空间电荷限制电流法测量共混体系中空穴的迁移率

载流子迁移率测量是有机半导体材料与器件研究中的重要内容之一.以聚噻吩为电子给体材料, C₆₀的衍生物为电子受体材料,制备了一种单电荷传输器件.用空间电荷限制电流法测出了不同溶剂形成的 活性层及不同温度热处理后器件中空穴的迁移率.结果表明:器件中电荷的传输J-V曲线符合Mott-Gurney方程, 不同溶剂形成活性层中空穴具有不同的迁移率,高沸点的溶剂1, 2-二氯苯形成的活性层具有较高的空穴迁移率, 热处理有利于器件中空穴迁移率的提高.同时还进一步分析了空穴迁移率变化的原因.     

孔洞聚丙烯驻极体膜中空间电荷与孔洞击穿电荷的俘获特性

对孔洞聚丙烯(PP)驻极体膜系统的研究结果表明：孔洞PP膜中空间电荷的俘获特性随注入的空间电荷量或试样表面电位而变化,注入的电荷量较少时空间电荷主要被俘获在表面深陷阱和近表面次深陷阱中,较多的注入电荷量时空间电荷在进一步填充表层(表面和近表面)陷阱的同时,还将填充体内浅陷阱;这三类陷阱中心所对应的电荷脱阱温度分别约为160℃,138℃和92℃.而孔洞击穿电荷不仅被俘获在与试样表层空间电荷陷阱相似的孔洞表层陷阱中,还有相当的量穿过孔洞表层进入体内、成为浅阱俘获孔洞击穿电荷. 关键词： 孔洞聚丙烯膜 空间电荷 孔洞击穿电荷 俘获特性     

基于行波管螺旋导电面模型的空间电荷场研究

通过分析行波管螺旋导电面模型中的电磁场，给出了色散和耦合阻抗计算公式，并深入研究了非线性理论中的空间电荷降低因子.结果表明，螺旋导电面模型相对理想导电圆筒中的空间电荷降低因子在较高频段变化不大.空间电荷降低因子的变化反映了螺旋线外电磁场对电子注的作用，同样的慢波结构，较高频率的电磁场应有较大的影响.因此，使用螺旋导电面模型在较高频段计算空间电荷降低因子是不合适的. 关键词： 行波管 非线性 螺旋导电面 空间电荷降低因子 色散 耦合阻抗     

空间电荷效应对X射线条纹相机动态范围影响的研究

在惯性约束聚变中,X射线条纹相机是一种诊断图像时空分辨的重要设备,其动态范围反映了条纹相机有效测量入射X射线强度的能力.由于空间电荷效应的存在,电子脉冲在运动过程中会不断展宽,从而限制了条纹相机的动态范围.本文采用一维流体力学模型,利用电子数守恒、动量守恒和Poisson方程等来对电子脉冲的展宽进行推导,最终得到了电子脉冲的密度分布随时间空间的变化情况,从而为条纹相机动态范围的评估提供了依据.     

光致折射效应中空间电荷场建立过程的研究

本文推导了包含自衍射及非线性吸收影响、用以描述空间电荷场建立过程的微分方程组,阐明了周期性的空间电荷场与光强干涉条纹之间的相位差在建立过程中所起的作用,并推导了描述条纹倾斜和弯曲的微分方程。通过数值计算找到了硅酸铋(BSO)晶体中能量转移的规律,讨论了材料特性对过程快慢的影响,提出了用CW激光来探讨瞬态过程快慢的可能性。     

聚合物材料空间电荷陷阱模型及参数

采用电声脉冲测量技术研究了直流电场下低密度聚乙烯材料的电荷入陷和脱陷特征. 发现在不同电场周期下样品的电荷衰减呈现不同的特征, 为此提出了一个简单的基于两陷阱水平的入陷和脱陷模型, 并计算了相应的参数, 如陷阱能级和密度. 确定了不含任何添加剂的低密度聚乙烯样品中存在的两种水平的陷阱能级分别为: 较浅陷阱能级0.77–0.81 eV 对应的浅陷阱电荷密度为(1.168–1.553)× 10¹⁹ m^-3; 较深陷阱能级0.96–1.01 eV 对应的深陷阱电荷密度为(1.194–4.615)× 10¹⁸ m^-3. 最后初步验证了材料的深陷阱能级和对应的深陷阱电荷密度随老化而增加, 可考虑将模型中的两能级陷阱参数作为老化诊断特征参量. 关键词： 聚合物 空间电荷 陷阱 老化     

The structure of XLPE and the distribution of space charge

The formation and accumulation of space charge under charge treatment are investigated using PWP method. The interaction between space charge and the structure of XLPE is measured using infrared spectroscopy (IR) method. The related mechanism about space charge distribution and the structure of XLPE are discussed.     

用于固体介质中空间电荷的压电压力波法与电声脉冲法

采用一种新的简明的方法推导了压力波法(PWP)的测量原理，并对压力波法和电声脉冲法(PE A)作了比较，得出这两种测量方法在物理本质上的相通之处，并且采用本实验室自行研制的 piezo-PWP/PEA联合测试系统对交联聚乙烯样品中的空间电荷进行测量，所得出的结论仍是 一致的. 关键词： 压力波法 电声脉冲法 空间电荷     

二极管间隙距离对场致发射过程中空间电荷效应的影响

在强电场条件下,由阴极通过场致发射产生的电子具有很强的空间电荷效应,因此真空二极管的空间电荷限制电流是设计高功率微波源等强流电子束器件时需要考虑的重要参数.场致发射电流密度只和阴极材料、阴极表面电场等有关,而空间电荷效应则会受二极管电压、间隙距离等因素的影响.为研究二极管间隙距离对场致发射过程中空间电荷效应的影响,建立了由场致发射阴极构成的一维平板真空二极管物理模型,利用第一性原理的粒子模拟方法,研究了二极管间隙距离和外加电压等参数变化时的阴极表面电场随时间的演变特性,得到了阴极表面稳态电场和二极管间隙距离之间的关系.结果表明,场致发射过程开始后,阴极表面电场先有个振荡过程,随后趋于稳定;在同一外加电场条件下,间隙距离越长,稳态电场的绝对值越小,且达到稳态所需的时间也越长;间隙距离越短,当阴极表面电场达到稳定状态时,二极管间隙区的电场分布变化越剧烈.     

温度梯度场对电声脉冲法空间电荷测量波形的影响

电力设备运行中的温升现象严重影响绝缘的使用寿命,因此高温下的空间电荷测量引起了许多学者的关注.但温度升高时,聚合物材料的声阻抗、Young模量、密度、声波在其中传播的速度、衰减特性均发生变化,因此无法准确测量出介质中的空间电荷特性.而对于温度梯度场下的绝缘介质(如电缆发热场)的空间电荷测量,温度的梯度分布对介质的声阻抗、弹性模量、密度、声速及声波衰减的影响将更为复杂.本文基于电声脉冲测量方法中声波的传播特性和温度对聚乙烯材料特性的影响,分析了温度梯度场对空间电荷测量结果的影响并进行了波形恢复.     

Study on space charge effects of the CSNS/RCS

The Rapid Cycling Synchrotron (RCS) is a key component of the China Spallation Neutron Source (CSNS). The space charge effect is one of the most important issues in the CSNS/RCS, which limits the maximum beam intensity, as well as the maximum beam power. Space charge effects are the main source of emittance growth and beam loss in the RCS. Space charge effects have been studied by simulation for the CSNS/RCS. By optimizing the painting orbit, the optimized painting distribution was obtained. The space charge effects during the acceleration are studied and dangerous resonances, which may induce emittance growth and beam loss, are investigated. The results are an important reference for the design and commissioning of the CSNS/RCS.     

表层氟化温度对聚乙烯中空间电荷积累的影响

在实验室反应釜中于不同的温度(35 ℃, 55 ℃和70 ℃) 下, 以氟气体积浓度为12.5%的氟/氮混合气对热压制备的聚乙烯(PE) 片状试样(厚约0.8 mm) 进行了相同时间(2 h) 的表层氟化改性. 利用压力波法研究了氟化温度对PE中空间电荷积累的影响. 结果显示, 随着氟化温度的提高直流高压作用下的氟化试样中的空间电荷积累明显减少, 这个70 ℃的氟化试样中几乎没有空间电荷. 衰减全反射红外分析表明, 氟化引起了试样表层化学组成的本质变化及氟化度随氟化温度的明显提高. 接触角测量与表面能计算间接地表明了这些氟化层有显著增大的介电常数. 开路热刺激放电电流测量进一步揭示了这些氟化层 不同的电荷捕获特性, 及随着氟化温度的提高氟化层对化学杂质从半导性电极向PE扩散的增强的阻挡特性, 因此表明氟化层中自由体积的相应减小. 表层自由体积的减小对抑制空间电荷的积累, 比介电常数的增大和电荷陷阱的变化起到更加显著的作用.     

同轴结构中压力波法测量空间电荷分布的物理模型研究

从压力波法测量平板样本中空间电荷分布的理论分析出发,提出了对于同轴结构的固体电介质中空间电荷分布的压力波法测量的物理模型,并得出了测量电流的解析的数学表达式.依据泊松方程,考虑样品内的电场强度、介电常数和空间电荷密度随外界声波扰动而发生变化,将圆柱试样受到的压力波的影响分解成样品形变和质点位移两部分,进而得到了以同轴结构中空间电荷分布的压力波法测量的电压与电流表达式.测量电流的数学表达式表明,对于同轴结构,压力波法的测量电流信号不像平板结构中那样基本正比于空间电荷分布,而是应该做进一步的修正处理.     

基于库仑定律的二极管空间电荷限制效应研究

真空二极管是电子束源装置中的一个关键部件, 其阴极发射的电子束进入二极管阴阳极间隙区会产生很强的空间电荷限制效应. 本文针对平板真空二极管中的空间电荷限制效应物理模型, 从库仑定律的积分形式出发, 选取了不同参数的阴极半径与阴阳极间隙距离之比, 计算得到了真空二极管阴阳极间隙区的电场分布情况, 从而避免了采用Poisson方程求解时需要处理复杂的非线性偏微分方程这一问题. 结果表明, 基于库仑定律的计算结果与从Child-Langmuir定律分析得到的结果仅相差一个与二 极管极板边界条件有关的修正量. 当二极管阴极半径与阴阳极间隙距离之比 R/D>10时,一维空间电荷限制定律将是一个较好的近似结果,当 R/D较小时, 用该定律计算误差较大,在实际物理问题中需要谨慎使用.     

聚乙烯空间电荷包行为的形成机理与仿真方法研究

聚乙烯中的空间电荷包行为是空间电荷的一种特殊的输运行为.研究表明,空间电荷包行为由于受材料本身特性、外加电场大小以及环境温度等的影响,导致其产生过程及传输特性上存在较大差异,这些因素给空间电荷包行为产生机理研究带来了较大困难.通过对电荷的电极注入过程、载流子的体内迁移规律及空间电荷与体内陷阱的相互作用机制进行分析,探讨了不同外加电场及不同深度陷阱能级对电荷包行为造成的相关影响,在此基础上建立物理模型来描述电荷包的产生和迁移过程.模型中提出了在高于阈值电场时,载流子迁移速度与电场关系存在负微分迁移率的假设.基于此模型对空间包行为的模拟结果与实验结果取得较好的一致. 关键词： 空间电荷包 数值模拟 负微分迁移率