Investigation of the diocotron instability of an infinitely wide sheet electron beam by using the macroscopic cold-fluid model theory

This paper investigates the diocotron instability of an infinitely wide relativistic sheet electron beam in conducting walls propagating through a uniform magnetic field by using the macroscopic cold-fluid model theory. Assuming low-frequency perturbations with long axial wavelengths, the eigenvalue equation and the dispersion relation are acquired for a sheet electron beam with sharp boundary profile and uniform density. The results presented in this paper has developed the use of the macroscopic cold-fluid model theory by extending the parameter of the electron cyclotron frequency ω_c to a wider usage range, which is restricted to be much larger than the plasma frequency ω_p in the previous research work. Theoretical analyses and numerical calculations indicate that the transport of the sheet electron beam will be completely stabilized by augmenting the normalized beam thickness to a conductor gap larger than a threshold λ_b, which is greatly dependent on the parameter ω_c/ω_p. The larger ω_c/ω_p is, the smaller λ_b will be needed. Moreover, the system parameters, including the wave number k_x of the perturbations and the relativistic mass factor γ_b, will also influence the growth rate of diocotron instability obviously.     

Investigation of intense sheet electron beam transport using the macroscopic cold-fluid model and the single-particle orbit theory

The focusing and the stable transport of an intense elliptic sheet electron beam in a uniform magnetic field are investigated thoroughly by using the macroscopic cold-fluid model and the single-particle orbit theory.The results indicate that the envelopes and the tilted angles of the sheet electron beam obtained by the two theories are consistent.The single-particle orbit theory is more accurate due to its treatment of the space-charge fields in a rectangular drift tube.The macroscopic cold-fluid model describes the collective transport process in order to provide detailed information about the beam dynamics,such as beam shape,density,and velocity profile.The tilt of the elliptic sheet beam in a uniform magnetic field is carefully studied and demonstrated.The results presented in this paper provide two complete theories for systemically discussing the transport of the sheet beam and are useful for understanding and guiding the practical engineering design of electron optics systems in high power vacuum electronic devices.     

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。     

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。     

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     

带状电子束的空间电荷场

 利用理论分析和数值计算的方法研究了矩形波导内均匀电流密度的带状电子束模型的空间电荷场,给出了该带状电子束模型的空间电荷场的解析表达式,并研究了空间电荷场随带状电子束的几何参数和物理参数的变化规律。研究表明：在不改变电流密度的前提下,更宽的电子束可以传输更强的束流,而空间电荷场并不随束宽度的增大而增大,但是增加电子束厚度会使空间电荷场显著增强,从而不利于高流强电子束的传输;对于相同电流的带状电子束,保持电子束厚度不变,增大电子束宽度,相应地降低电流密度是降低空间电荷场的一个很好的途径,而保持电子束的宽度不变,增大束厚度,相应地降低电流密度只会使沿着电子束截面宽度方向的电场减小,而沿着电子束截面厚度方向的电场基本不变;对于相同电流和电流密度的带状电子束,更宽、更薄的电子束横截面尺寸能使沿着电子束截面宽度方向的电场降到更低,而沿着电子束截面厚度方向的电场只是略有减小。     

带状电子束的空间电荷场

利用理论分析和数值计算的方法研究了矩形波导内均匀电流密度的带状电子束模型的空间电荷场,给出了该带状电子束模型的空间电荷场的解析表达式,并研究了空间电荷场随带状电子束的几何参数和物理参数的变化规律。研究表明：在不改变电流密度的前提下,更宽的电子束可以传输更强的束流,而空间电荷场并不随束宽度的增大而增大,但是增加电子束厚度会使空间电荷场显著增强,从而不利于高流强电子束的传输;对于相同电流的带状电子束,保持电子束厚度不变,增大电子束宽度,相应地降低电流密度是降低空间电荷场的一个很好的途径,而保持电子束的宽度不变,增大束厚度,相应地降低电流密度只会使沿着电子束截面宽度方向的电场减小,而沿着电子束截面厚度方向的电场基本不变;对于相同电流和电流密度的带状电子束,更宽、更薄的电子束横截面尺寸能使沿着电子束截面宽度方向的电场降到更低,而沿着电子束截面厚度方向的电场只是略有减小。     

电子束驱动的回旋激射不稳定性

对弱相对论性电子束驱动的回旋激射(maser)不稳定性的一般理论作了详细讨论.对在获得增长率实用表达式过程中若干解析表达式的推导与细节做了仔细的补充讨论和说明，还增加了增长率的近似表达式，并由此得到了回旋激射不稳定性主要特征的解析分析以及与精确计算的比较，使整个理论有一个完整的描述.侧重解析讨论，也提供了部分一般性的数值计算结果. 关键词： 回旋激射不稳定性 弱相对论性电子束 增长率     

提高等离子体密度抑制逃逸电子束不稳定性的实验研究

利用ECE电子回旋辐射和Ha线辐射等托卡马克物理诊断系统,研究了Slide-away放电过程中提高等离子体密度对非麦克斯维尔分布的逃逸电子所激发的逃逸电子束不稳定性影响作用。实验结果表明：在Slide-away放电模式下,提高等离子体密度能有效抑制逃逸电子束的不稳定性。     

提高等离子体密度抑制逃逸电子束不稳定性的实验研究

利用ECE电子回旋辐射和Ha线辐射等托卡马克物理诊断系统,研究了Slide-away放电过程中提高等离子体密度对非麦克斯维尔分布的逃逸电子所激发的逃逸电子束不稳定性影响作用.实验结果表明:在Slide-away放电模式下,提高等离子体密度能有效抑制逃逸电子束的不稳定性.     

周期会切磁场聚焦强流相对论带状电子束的理论分析和粒子模拟

对低幅值、短周期、有偏置磁极的周期会切磁场中300 keV,3 kA带状电子束的传输进行了理论分析和粒子模拟。给出了将波导宽度考虑在内的轴向均匀带状电子束的空间电荷场和作用在有限厚度的带状电子束的短边和宽边上的聚焦力的表达式,并利用束匹配的方法得到了磁场的幅值和周期,以及电子束通道的宽度和高度等参数。最后根据理论计算的结果进行了３维粒子模拟验证,结果表明：束宽边上聚焦良好,而在短边上带状电子束的轴向有限长效应使得聚焦力与散焦力沿轴向不能完全匹配,在束包络上产生了Betatron振荡,但在300 mm的距离上传输效率仍能达到98%以上,说明有偏置磁极的周期会切磁场聚焦强流带状电子束在理论上是可行的。     

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。     

损失锥-束流分布电子驱动的回旋激射不稳定性

在Chen等理论模型的基础上，对损失锥-束流分布电子激发的回旋激射不稳定性的主要特征 进行了深入研究，这种电子分布在太阳色球附近的磁重联过程中可能形成，它兼有束流和损 失锥的特性.结果表明，它不仅可以像束流分布和损失锥分布那样在适当的等离子体频率和 回旋频率的比值范围内激发X模和O模的基频和谐频不稳定性，兼有两种分布的激发特性，而 且具有更强的增长率.这一方面丰富了此类等离子体不稳定性的基本内容，而且预期在天体 射电发射机理的研究中也将得到广泛的应用. 关键词： 回旋激射不稳定性 弱相对论性 损失锥-束流分布电子 增长率     

电子束驱动的回旋激射不稳定性进一步的数值研究

鉴于近来发现的弱相对论性电子束驱动的回旋激射(maser)不稳定性在太阳射电发射中的重 要应用，在Chen等的理论模型的基础上，对回旋激射不稳定性主要特征在更广泛的参数范围 内进行了进一步的深入研究，丰富了此类等离子体不稳定性的基本内容，而且预期在天体射 电发射机理的研究中也将得到更广泛的应用. 关键词： 回旋激射不稳定性 弱相对论性电子束 增长率     

带状束高功率微波源宽通带收集极

设计了一种适用于带状电子束高功率微波源的宽通带收集极,在有效吸收束-波相互作用后的带状电子束的同时,保证了带状电子束高功率微波源的工作模式矩形波导TM11模式高效率地通过。研究结果表明：在13~27 GHz范围内,功率传输效率大于95%,这一宽通带特性使得该类型的收集极与带状电子束高功率微波源能够更好配合,显著提高了微波源的模拟优化和实验调试效率;TM11模式微波的传输效率对收集极厚度和长度等参数不敏感;该类型收集极结构具有良好的散热能力,在不加外部水冷装置的条件下,仅靠空气自然对流冷却和辐射冷却,可以承受电流3 kA、电压300 kV、脉冲宽度30 ns及重复频率50 Hz带状电子束的连续冲击。     

Numerical investigation of space charge electric field for a sheet electron beam between two conducting planes

Analytical and numerical study of the stability of sheet electron beam in periodically cusped magnetic field (PCM) is made. The beam has been considered as having diffused density profile. The conditions for beam focusing are discussed.     

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。     

准矩形截面强流相对论带状电子束的传输

提出利用准矩形截面带状电子束传输强电流.相对于目前广泛采用的椭圆形截面带状电子束,在大横纵比,即电子束的宽度(横向)远大于厚度(纵向)的情况下,其厚度沿横向更加均匀,利用冷阴极爆炸发射容易产生.该电子束利于高功率微波发生器中腔体模式的控制和束波作用效率的提高,如果利用模块化的结构还可使阴极及聚焦磁铁在宽度上的扩展更加容易.首先给出了准矩形截面带状电子束空间电荷场的典型分布,然后根据该分布和束匹配的方法对相互独立的周期会切磁铁和边聚焦磁铁分别进行了设计.其中边聚焦磁铁的磁化方向与以往的纵向不同,为横向磁化,其激励的边聚焦磁场在电子束宽边的边缘附近的梯度更大,有利于横向的束匹配.最后根据理论分析的结果进行了粒子模拟.结果表明,300keV,3kA的准矩形截面强流相对论带状电子束可以在0.163T的周期会切磁场和0.064T的横向磁化边聚焦磁场中稳定传输,电流传输效率大于98%.     

Theoretical investigation of an electron beam propagating through a wide gap cavity

This paper presents a self-consistent nonlinear theory of the current and energy modulations when an electron beam propagates through an inductively-loaded wide gap cavity. The integro-differential equations axe obtained to describe the modulation of the beam current and kinetic energy. A relativistic klystron amplifier （RKA） model is introduced, which uses an inductively-loaded wide gap cavity as an input cavity. And a numerical code is developed for the extended model based on the equations, from which some relations about the modulated current and modulated energy are numerically given.     

周期椭圆螺线管聚焦带状电子注的理论研究和粒子模拟

带状电子注真空器件是一种很有潜力的高功率微波毫米波器件,其中带状电子注的稳定传输和聚焦是该器件的关键。针对带状电子注的聚焦和传输,提出采用周期椭圆螺线管结构来稳定传输高椭圆率的带状电子注。通过理论分析,得到椭圆螺线管的磁场分布情况,研究了该磁场下带状电子注的运动情况,并且推导出带状电子注在周期椭圆螺线管结构中稳定传输的条件。最后,采用粒子模拟验证了该稳定传输条件。