Wiggler磁场聚焦带状电子注

 带状电子注在螺线管磁场作用下传输时,易形成Diocotron不稳定性,导致电子注崩溃。采用Wiggler磁场聚焦带状电子注能防止Diocotron不稳定性。研究了Wiggler磁场聚焦带状注的作用机理,得出带状电子注在Wiggler场作用下的包络方程。结合理论分析,使用3维粒子模拟程序对带状电子注的Diocotron不稳定性和Wiggler磁场抑制不稳定性分别进行了模拟。研究表明:合适的选择磁场大小和周期能有效抑制Diocotron不稳定性,使得设计带状电子注行波管成为可能。     

带状电子注的聚焦和传输

 采用单粒子模型,对有限宽矩形带状电子注在周期会切磁场(PCM)、带偏移磁极的周期会切磁场(offset-pole PCM)和周期会切周期四极磁铁混合磁场(PCM-PQM)聚焦结构中传输的双平面聚焦,进行了详细的理论和数值分析研究。结果表明:PCM和offset-pole PCM聚焦结构对于实现带状电子注的双平面边缘聚焦比较困难,原因在于它们无法独立控制电子注水平和垂直两个方向的聚焦。PCM-PQM聚焦结构则非常有效地改善了聚焦,可以很好地实现带状电子注边缘的聚焦和均匀稳定的传输。     

椭圆带状电子束聚焦方式

分析了椭圆带状电子束空间电荷场分布,采用3维粒子模拟软件观察椭圆带状电子束的传输不稳定性。分别对采用周期凸起磁场结构和偏置周期凸起磁场结构聚焦椭圆电子束进行理论分析,并利用粒子模拟软件对聚焦效果进行仿真。通过对比研究发现:偏置型周期凸起磁场结构更适合用于抑制椭圆截面带状电子束的传输不稳定性。     

周期凸起磁场聚焦带状电子注的3维粒子模拟

 从麦克斯韦方程出发，分析了带状电子注在螺线管磁场中传输时Diocotron模形成的原因；对周期凸起磁场(PCM)聚焦下的电子受力进行分析，分析表明PCM磁场能够抑制Diocotron模。结合理论分析，利用3维粒子模拟程序， 对Diocotron模的形成进行了研究，并利用了PCM磁场聚焦带状电子注，抑制Diocotron模。通过粒子模拟研究了磁场大小对PCM磁场抑制Diocotron模的影响，结果表明：磁场减少导致空间电荷力和磁力需要平衡，其侧面包络变厚。     

高传输通过率带状电子注聚焦与传输特性的研究

大宽高比的非轴对称带状电子注在微波和毫米波真空电子器件中具有显著的技术优势与应用潜力. 采用轴向均匀磁场可以聚焦和传输带状电子注,且具有易于实现电子注与磁场的匹配和调节、聚焦强流电子注以及无传输截止电压限制等优点,但面临严重的Diocotron不稳定性. 结合单粒子模型理论和冷流模型理论,对带状电子注传输特性进行的研究及其数值计算表明,通过详细设计带状注电子光学系统物理参数,增强聚焦磁场并在传输通道高度方向上选择较大的电子注填充比,可以有效降低Diocotron不稳定性对带状电子注的影响,并实现其长距离稳 关键词： 带状电子注 传输 均匀磁场聚焦 Diocotron不稳定性     

Wiggler聚焦带状注速调管束管的研制

 对Wiggler聚焦带状注速调管电子注截面、聚焦磁场和直流通过率进行了测试,分析了Wiggler聚焦的特点,获得了提高Wiggler聚焦带状注束管直流通过率的调试方法。测试结果表明：同一组磁钢摆放方式不同,电子注的通过率会相差很大;聚焦磁场和电子注匹配不好时,会出现通过率为零的情况。不同周期的直流测试结果表明9 mm周期最佳,在磁场均匀性较差、电压较低的情况下都能获得良好的直流通过率。     

带状注速调管电子光学系统的设计与模拟

 设计了对有限宽带状注进行聚焦的周期永磁（PPM）磁场，利用E-GUN，SUPERFISH，MAFIA和PIC模拟软件，建立了计算具有平面对称结构的2维及3维电子光学系统模拟平台,并应用此平台对X波段、100 MW带状注速调管的电子光学系统进行了设计与模拟。结果显示，利用设计的PPM聚焦系统，当磁场周期为60 mm，入口处磁场为0.1 T时，在600 mm的传输距离下，电子注的通过率达到了99.6%。     

周期永磁聚焦电子注性能计算机模拟

 使用全三维电磁场粒子模拟程序MAFIA建立了行波管周期永磁聚焦系统模型，计算了磁系统中的磁场分布和静态电子注传输特性。分析了周期永磁系统聚焦电子注传输特性，并重点讨论了磁场强度、磁场端部效应和横向速度分布对电子注聚焦性能的影响。为周期永磁聚焦系统的工程设计和优化提供了有价值的模拟结果。     

多注行波管周期永磁聚焦系统

 利用自行开发的3维行波管仿真软件研究了五注耦合腔行波管周期永磁聚焦系统,分析了各个电子注通道内的静磁场分布和电子注聚焦性能。讨论了在有无初始横向速度的情况下各电子注的聚焦情况。并对外层电子注通道内的横向磁场的性质和其造成的对电子注聚焦的影响进行了分析,结果表明:该多注周期永磁聚焦系统具有良好的静磁场分布特性与电子注聚焦性能,在结构设计合理时,横向磁场对外层通道内电子注的聚焦影响很小,可以忽略。     

关于闭合及偏置PCM结构约束带状电子注可行性的研究

通过理论分析和数值计算证明了闭合PCM结构可以在窄边和宽边两个横方向上对接近真实情形的带状注束流进行有效约束,实现电子注的长距离稳定传输.提出了匹配电子注宽边方向横向磁聚焦力与带状注内空间电荷力的方法,这可用于确定闭合PCM聚焦结构的纵向周期长度以及截面尺寸.所做计算还显示出闭合PCM结构横截面的宽边方向尺度可以独立调节以达到最优的匹配.此外,进一步证明了偏置PCM结构不能有效约束带状电子注.本工作表明闭合PCM结构用于限制带状注束流具有很大潜力并且有助于指导实际的工程实践.     

Wiggler聚焦带状注速调管电子光学系统的设计

 带状注速调管可以在高频段实现高功率微波输出，电子光学系统是带状注速调管的关键部件。阐述了Wiggler双平面聚焦理论，设计了新型椭圆形柱面阴极和椭圆形聚焦极结构，阴极曲率半径为17 mm，长轴10 mm，短轴4 mm；聚焦极长轴28.8 mm，短轴10.4 mm。采用这种结构可以直接产生椭圆形带状电子注，且阴极发射电流密度较为均匀。设计了周期长度为8 mm，总长度为108 mm，中间带有凹槽并可以实现双平面聚焦的Wiggler结构，模拟显示电子注填充因子在75%左右，通过率达到100%。设计了新型的菱形收集极结构，电子轨迹在收集极内发散均匀。     

Simulation and analysis of the transverse spectrum in HIRFL-CSR

Particles in a storage ring oscillate in the longitudinal and transverse dimensions.Therefore,the signal that beam has generated can be analyzed in the frequency domain to extract many beam parameters,such as tune,momentum spread,emittance and their evolution with time and so on.In this paper,the transverse spectrum in HIRFI-CSR was simulated and analyzed under different conditions,including electron cooling,hollow electron beam,solenoid effect,the tune shift caused by power supply ripple and the misalignment between ion and electron beams.The result of the simulation shows that the longitudinal magnetic field of the electron cooling device should be compensated by a "compensation solenoid",and the power supply ripple must be controlled,otherwise the accumulation would be affected and the beam would be lost.     

直线变压器驱动源磁芯能量传递效率

磁芯是直线变压器驱动源(LTD)的关键部件之一,起着初、次级能量传递和次级电压感应叠加的作用,磁芯的能量传递效率对LTD系统的效率、体积和重量影响显著。对LTD系统中影响磁芯能量传递效率的原因进行了初步的分析,并利用Pspice软件的非线性磁芯模型对磁芯的工作过程和损耗进行了模拟计算,最后对LTD磁芯的能量传递效率进行了初步的实验研究,在工作电压为20 kV时、脉宽约220 ns时,在2.8 Ω负载上获得了大于60%的能量传递效率。     

Propagation properties of anomalous hollow beams in a turbulent atmosphere

Propagation of circular and elliptical anomalous hollow beams in a turbulent atmosphere is investigated in detail. Based on the extended Huygens–Fresnel integral, analytical formulae for the average irradiance of circular and elliptical anomalous hollow beams propagating in a turbulent atmosphere are derived. The irradiance and spreading properties of circular and elliptical anomalous hollow beams in a turbulent atmosphere and in free space are studied numerically. It is found that circular and elliptical anomalous hollow beams at short propagation distance in turbulent atmosphere have similar propagation properties to those of free space, while at long propagation distance, circular and elliptical anomalous hollow beams eventually become circular Gaussian beams in a turbulent atmosphere, which is much different from their propagation properties in free space. The conversion from an anomalous hollow beam to a circular Gaussian beam becomes quicker and the beam spot spreads more rapidly for a larger structure constant, a shorter wavelength and a smaller waist size of the initial beam.     

Stable Sheet-Beam Transport in Periodic Nonsymmetric Quadrupole Field

Stable sheet electron-beam transport is critical for sheet-beam microwave device which is attractive for high-power millimeter wave to terahertz-regime radiation. This paper studies the stable sheet-beam transport in periodic nonsymmetric quadrupole field. First, the conditions for stable round- and sheet-beam transport in periodic magnetic quadrupole field are deduced. In the deduction, we find that the symmetric quadrupole field and the space-charge field of sheet beam are not well matched. In order to settle this problem, we use periodic nonsymmetric quadrupole field instead of periodic symmetric quadrupole field to transport sheet beam. Finally, 3-D PIC simulations verify the conditions for stable sheet-beam transport and show that periodic nonsymmetric quadrupole field is intrinsically well suited for sheet-beam transport.      

颗粒流电磁垂直输运装置物理设计

为满足中国加速器驱动的次临界系统(C-ADS) 对于可靠性的要求, 计划采用基于螺线管的电磁垂直输运方案, 将经过质子束辐照后下落的散裂靶颗粒球再次输运至初始高度。基于解析方法对颗粒流垂直输运装置进行了分析和设计, 通过基于螺线管散热、径轴向颗粒流聚散焦效应和互感损耗等方面的考虑, 得到了适合于垂直输运颗粒流的螺线管驱动方式和螺线管构型及排布。利用基于本文解析方法的模拟程序, 对不同输运管道内径、不同螺线管驱动电流和不同螺线管构型和排布下的颗粒流垂直输运装置进行了模拟, 并从中筛选出了该装置的优化设计。模拟表明, 采用该优化设计的输运装置可将质量流量为19.6kg/s的颗粒流垂直输运至40m高度, 并满足颗粒球出口速度足够大的要求。     

W波段带状注矩形单栅返波振荡器模拟研究

提出并研究了一种带状电子注矩形单栅返波振荡器。首先研究了矩形单栅慢波结构的色散特性和耦合阻抗特性,然后粒子模拟并优化设计了带状注矩形单栅高频结构,预群聚腔及输出一体化结构。研究结果表明:利用电压200kV、电压2kA、截面为24mm×0.5mm的带状电子注,驱动该矩形单栅返波振荡器,能够产生42 MW的输出功率,工作频率86GHz,效率为10.5%。     

直线感应加速器输运磁场遗传算法优化

以直线感应加速器（LIA）匹配磁场设计和束线调谐为背景,提出解决强流相对论电子束长距离、小波动、多元件磁约束的输运优化问题的数值优化办法,建立基于遗传算法的优化程序。结合束质心轨迹及束包络耦合模型,设计描述束传输半径波动大小的评价函数,采用励磁元件馈入电流为优化对象,解决LIA磁场配置组合爆炸优化问题。计算结果表明:优化程序可依据不同的初始束流,有针对性地快速给出一组符合束输运要求的励磁电流配置。研究成果为在建的LIA装置束线调谐提供一种重要的数值分析工具。