重复频率电子束源技术研究

介绍了一台自行研制的基于Blumlein双形成线和脉冲变压器的调制器型脉冲发生器,该发生器可以输出300kV高压脉冲,输出特性阻抗100Ω,脉冲宽度500ns,能在重复频率100Hz下稳定运行.以此为实验平台,进行了重复频率电子束源技术研究,并得到了电压300kV、脉宽500ns、重复频率50Hz的电子束输出.     

电功率20 GW重复频率强流电子束二极管研究

采用静电场模拟对二极管结构及导引磁场位形分布进行了优化设计,并在20GW脉冲功率源上进行了重复频率运行实验研究,二极管输出电子束电压超过1MV,电流达20kA,脉冲宽度45ns,重复频率100Hz,达到了设计指标.     

天鹅绒阴极脉冲放气及重复频率运行真空特性

为获得天鹅绒阴极加电运行时的放气信息,在加速器Torch-02（电压约300 kV、脉宽约6 ns、电阻约100 Ω、频率1~300 Hz）上开展了单次及重复频率下的真空兼容性实验研究。对于发射面积为28 cm2、阴阳极间距50 mm、有效抽速62 L/s、容积为4.6 L的真空二极管-天鹅绒阴极系统,根据不同电流发射密度时的气压历史曲线,确定了单位面积上天鹅绒表面中性气体释放数目与脉冲能量的关系。通过实时记录不同频率下的气压演化,在本底气压约5×10-3 Pa、单脉冲能量约6 J条件下,得到了平衡压强与重复频率的变化关系：10~100 Hz时,平衡压强与重复频率近似呈线性递增;超过100 Hz时,真空恶化明显,气压随频率呈超线性增长,300 Hz时平衡压强已升至Pa量级。最后,针对重复频率运行时的放气特点,讨论了一种“分布式”抽气思想以改善系统有效抽速。     

天鹅绒阴极脉冲放气及重复频率运行真空特性

为获得天鹅绒阴极加电运行时的放气信息,在加速器Torch-02(电压约300 kV、脉宽约6 ns、电阻约100Ω、频率1~300 Hz)上开展了单次及重复频率下的真空兼容性实验研究。对于发射面积为28 cm2、阴阳极间距50 mm、有效抽速62 L/s、容积为4.6 L的真空二极管-天鹅绒阴极系统,根据不同电流发射密度时的气压历史曲线,确定了单位面积上天鹅绒表面中性气体释放数目与脉冲能量的关系。通过实时记录不同频率下的气压演化,在本底气压约5×10-3Pa、单脉冲能量约6 J条件下,得到了平衡压强与重复频率的变化关系:10~100 Hz时,平衡压强与重复频率近似呈线性递增;超过100 Hz时,真空恶化明显,气压随频率呈超线性增长,300 Hz时平衡压强已升至Pa量级。最后,针对重复频率运行时的放气特点,讨论了一种"分布式"抽气思想以改善系统有效抽速。     

重复频率强流电子束二极管实验研究

 采用静电场模拟对二极管结构及导引磁场位形分布进行了优化设计,利用设计的二极管在高压脉冲发生器上进行了重复频率运行实验研究,给出了相应测试波形,并对不同材料阴极、不同真空度情况下二极管的发射特性进行了比较。在二极管真空度满足一定要求（p＜0.01Pa）条件下以在重复频率方式运行时,不论是石墨阴极还是金属阴极,输出电子束流都比较稳定。设计的二极管电子束电压超过500kV,电流约5kA,脉冲宽度40ns,重复频率100Hz。     

强流碳纳米管阴极重复频率发射特性

采用钛氰铁高温催化热解方法可制备发射性能优异的碳纳米管薄膜阴极。当脉冲电场峰值达到30 MV/m时,发射电流密度达kA/cm2以上,对应相对论电子束流强度高达15 kA,等离子体发射机制参与电子束发射过程。以重复频率10 Hz发射模式时,其发射阈值低,束压、束流波形跟随性好,发射稳定性优于石墨阴极。发射发次达到1000后,碳纳米管形态依然完整,界面无脱附。     

重复脉冲强流电子束源长时间稳定运行实验研究

简要阐述了脉冲变压器型重复脉冲强流电子束加速器CHP01的组成、主要特点及工作原理,利用设计的重复脉冲强流电子束源进行了长时间运行实验研究,实验结果达到：在100 Hz重复频率下连续运行5 s,脉冲变压器能稳定输出电压1.15 MV,强流束二极管输出电压超过800 kV、束流7 kA、脉冲宽度45 ns,阴极电子发射密度超过10 kA/cm2,且运行稳定可靠。利用该电子束源进行了X波段类周期慢波结构微波器件实验研究,在50 Hz重复频率下连续运行5 s,输出微波功率超过1 GW,脉冲宽度大于25 ns。     

强流碳纳米管阴极重复频率发射特性

采用钛氰铁高温催化热解方法可制备发射性能优异的碳纳米管薄膜阴极。当脉冲电场峰值达到30 MV/m时,发射电流密度达kA/cm2以上,对应相对论电子束流强度高达15 kA,等离子体发射机制参与电子束发射过程。以重复频率10 Hz发射模式时,其发射阈值低,束压、束流波形跟随性好,发射稳定性优于石墨阴极。发射发次达到1000后,碳纳米管形态依然完整,界面无脱附。     

重复脉冲强流电子束源长时间稳定运行实验研究

 简要阐述了脉冲变压器型重复脉冲强流电子束加速器CHP01的组成、主要特点及工作原理,利用设计的重复脉冲强流电子束源进行了长时间运行实验研究,实验结果达到：在100 Hz重复频率下连续运行5 s,脉冲变压器能稳定输出电压1.15 MV,强流束二极管输出电压超过800 kV、束流7 kA、脉冲宽度45 ns,阴极电子发射密度超过10 kA/cm²,且运行稳定可靠。利用该电子束源进行了X波段类周期慢波结构微波器件实验研究,在50 Hz重复频率下连续运行5 s,输出微波功率超过1 GW,脉冲宽度大于25 ns。     

S波段长脉冲相对论速调管重复频率运行稳定性研究

为了进一步提高S波段高功率强流长脉冲相对论速调管放大器(RKA)的重复频率稳频稳相运行的性能,采用实验结合理论和模拟的方法,分析了其主要制约因素,特别分析了造成器件脉冲缩短和重复频率运行不稳定等问题的根源。研究结果表明,RKA中的中间腔和输出腔的电子反射、电子散焦轰击腔体鼻锥是造成脉冲缩短、重复频率运行不稳定的主要根源。通过采用大漂移管半径的器件结构、在漂移管中加载吸波材料以及引导磁场位形、采用电子发射较均匀的碳/碳复合阴极材料等措施,使杂频振荡、脉冲缩短和重复频率工作不稳定性等问题得到了明显减轻,输出微波相位稳定性得到显著提高。采用电压830 kV、束流7.7 kA、脉宽190 ns的环行电子束驱动S波段3腔RKA,重复频率25 Hz运行得到了峰值功率1.55 GW、脉宽163 ns、相位抖动18°（rms）的输出微波。     

无箔二极管的设计与静态数值模拟

 设计并完成了一无箔二极管,该二极管预计产生1MV、20ns、10kA以上的空心脉冲电子束。研究了无箔二极管的静态数值模拟方法,求得完全的自洽解。利用编制的程序对设计的无箔二极管进行了数值模拟,对结果进行了讨论。     

双脉冲电子束源实验研究

利用现有2MeV直线感应注入器,通过改造,将其次级功率源和8个感应腔分成2组,使之交替工作,建立了一台双脉冲电子束源。二极管电压脉冲幅度达到1MeV,电子束脉冲持续时间为120ns,脉冲间隔可以根据需要在100~500ns间进行调节。实验结果表明：该双脉冲电子束源可以产生双脉冲电子束,其电压幅度差值小于2%,束流可达3kA,并且工作稳定,利用该装置可以进行多脉冲二极管物理和天鹅绒多脉冲发射特性实验研究。     

无箔二极管的设计与静态数值模拟

设计并完成了一无箔二极管,该二极管预计产生1MV、20ns、10kA以上的空心脉冲电子束。研究了无箔二极管的静态数值模拟方法,求得完全的自洽解。利用编制的程序对设计的无箔二极管进行了数值模拟,对结果进行了讨论。     

双脉冲电子束源实验研究

 利用现有2MeV直线感应注入器,通过改造,将其次级功率源和8个感应腔分成2组,使之交替工作,建立了一台双脉冲电子束源。二极管电压脉冲幅度达到1MeV,电子束脉冲持续时间为120ns,脉冲间隔可以根据需要在100~500ns间进行调节。实验结果表明：该双脉冲电子束源可以产生双脉冲电子束,其电压幅度差值小于2%,束流可达3kA,并且工作稳定,利用该装置可以进行多脉冲二极管物理和天鹅绒多脉冲发射特性实验研究。     

电子束的收集

 为提高电子冷却装置中收集器的效率,研究了收集效率与几何参数,电、磁参数的关系,考虑了初级及反射电子的空间电荷作用,模拟计算了初级电子、反射电子在收集器区域的轨迹,由此得到了收集效率随电、磁参数的变化规律。结果表明,在合适的参数设置下,相对电流损失小于,收集效率达到。     

电子束的收集

为提高电子冷却装置中收集器的效率,研究了收集效率与几何参数,电、磁参数的关系,考虑了初级及反射电子的空间电荷作用,模拟计算了初级电子、反射电子在收集器区域的轨迹,由此得到了收集效率随电、磁参数的变化规律。结果表明,在合适的参数设置下,相对电流损失小于,收集效率达到。     

重复运行短脉冲S波段相对论速调管放大器

介绍了利用HVG-1二极管产生的强流短脉冲电子束源, 开展短脉冲重复频率为100Hz的S波段相对论速调管放大器(RKA)实验研究. 利用无箔空心石墨阴极和0.82T的恒流源引导磁场, 引出了电压约700kV、电流约6.5kA、脉宽(半高宽)25ns的环形电子束. 该电子束经过输入腔和中间腔的调制后, 得到了5kA/22ns的基波调制电流. 经过输出腔后, 得到了大于1GW/20ns的辐射微波, 频率2.95GHz, 平均功率2.4kW, 效率约24%, 增益34dB. 没有观察到限制该GW级功率水平的S波段RKA的因素.     

1.2MV重复频率脉冲电源的测试诊断系统

为了更好分析系统的放电特性和工作状态,优化脉冲功率源系统的设计,研制了一套1.2MV重复频率高功率微波驱动电源测试诊断系统。通过研究高电压、大电流测试技术和数据采集、信号处理、故障诊断技术,同时运用虚拟仪器和电磁兼容等技术,探索开发了一套重复频率脉冲电压电流测试诊断系统。结合系统的研制需求,通过分析各种数据采集设备的优缺点,硬件选用了凌华公司的PXI数据采集系统,软件采用LabVIEW,设计开发了重复频率快信号的采集诊断程序,研制出实时诊断系统,并在1.2MV重复频率脉冲电源系统中应用,实现了对重复频率电源关键点电压电流的测试以及数据的诊断、处理和远程在线监测,出现故障时报警、存储数据并自动断电等功能。     

1.2 MV重复频率脉冲电源的测试诊断系统

为了更好分析系统的放电特性和工作状态,优化脉冲功率源系统的设计,研制了一套1.2 MV重复频率高功率微波驱动电源测试诊断系统。通过研究高电压、大电流测试技术和数据采集、信号处理、故障诊断技术,同时运用虚拟仪器和电磁兼容等技术,探索开发了一套重复频率脉冲电压电流测试诊断系统。结合系统的研制需求,通过分析各种数据采集设备的优缺点,硬件选用了凌华公司的PXI数据采集系统,软件采用LabVIEW,设计开发了重复频率快信号的采集诊断程序,研制出实时诊断系统,并在1.2 MV重复频率脉冲电源系统中应用,实现了对重复频率电源关键点电压电流的测试以及数据的诊断、处理和远程在线监测,出现故障时报警、存储数据并自动断电等功能。     

Influence of spatiotemporal coupling on the capture-and-acceleration-scenario vacuum electron acceleration by ultrashort pulsed laser beam

This paper investigates the properties of the ultrashort pulsed beam aimed to the capture-and-acceleration-scenario (CAS) vacuum electron acceleration. The result shows that the spatiotemporal distribution of the phase velocity, the longitudinal component of the electric field and the acceleration quality factor are qualitatively similar to that of the continuous-wave Gaussian beam, and are slightly influenced by the spatiotemporal coupling of the ultrashort pulsed beam. When the pulse is compressed to an ultrashort one in which the pulse duration T_FWHM <5T₀, the variation of the maximum net energy gain due to the carrier-envelope phase is a crucial disadvantage in the CAS acceleration process.