重复脉冲强流电子束引导磁场的设计及实验

对于强流脉冲电子束的传输，一般是利用引导磁场箍缩电子束使其无损的通过漂移管进入微波器件并进行束波互作用。与单次脉冲引导磁场相比，重复脉冲引导磁场的设计及强流电子束在其中的传输过程是非常复杂的，引导磁场既要满足与重复脉冲电子束的同步条件，又要满足束流传输的极限条件，同时也要满足微波器件对磁场位形和电子束几何尺寸的要求。     

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。     

磁场引导双电子束传输模拟和实验研究

 利用外加纵向磁场把单台加速器驱动双阴极二极管产生的同步双电子束引出双漂移管,是双电子束实用化的关键环节。在实心束情况下,对双电子束约束磁场进行了3维PIC模拟。在粒子模拟的基础上搭建了双电子束磁场引导系统,进行了磁场引导环形双电子束传输实验研究,在二极管电压约380 kV时,环形双束流值分别为5.10 kA和4.92 kA。实验结果表明,所设计磁场系统能够对环形双电子束进行有效约束,有效约束磁场约0.5 T。     

导电栅网对相对论速调管中电子束的约束作用

介绍利用导电栅网约束相对论速调管(RKA)中强流电子束的理论分析及实验结果.用近似的空间电荷场分布分析导电栅网约束实心电子束稳定传输时的电子运动情况，讨论束流稳定传输的条件；并介绍在一台直线感应加速器上利用导电栅网约束未调制强流束(约400kV，2.5kA)长距离(约60cm)传输的实验结果，同时给出利用导电栅网约束RKA中调制电子束的实验结果.理论分析及实验研究表明，导电栅网对实心束的约束作用对电子束能量相对不敏感；导电栅网可有效地用于RKA中取代磁场系统约束强流相对论电子束.     

法拉第筒阻抗对二极管电子束流性能的影响

 分析了法拉第筒阻抗对二极管电子束流性能的影响, 研制了一种安装在阳极座中测量阳极吸收束流的法拉弟筒, 并用它测量了81-7M -01强流相对论电子束加速器二极管阳极吸收束流。     

矩形强流电子束自磁场对束流均匀性的影响

对大面积矩形强流电子束自磁场在无限长束模型和有限长束模型下作了计算,给出了磁场的强度分布,并计算了在自磁场作用下的束电子的运动轨迹。描述了电子束在传输方向距阴极6cm处的箍缩图样。计算中考虑了二极管电场力,忽略了膜及Hibechi对束流的散射效应。     

多脉冲强流真空电子二极管研究

研究了猝发脉冲串条件下真空强流电子二极管状态和输出电子束参数的变化规律, 建立了阴极等离子体膨胀效应的强流电子二极管参量的方程组, 并提出了阴极等离子体柱状膨胀模型. 实验研究了猝发多脉冲电子二极管输出多脉冲强流电子束的能力和束品质的变化, 给出了以天鹅绒为阴极发射体, 阴极等离子体膨胀速度小于1cm/μs时二极管输出的双脉冲电子束包络的变化和电子束的发射度及亮度.     

无引导磁场Raman自由电子激光实验的理论分析

本文分析Raman自由电子激光中常用的双绕螺旋线摇摆器的自聚焦过程和自聚焦能力,得出束流稳定传输的条件,并与无引导磁场Raman自由电子激光实验中测得的传输束流进行分析比较。文中还对在电子脉冲线加速器EPA-74上完成的无引导磁场自由电子激光实验的辐射输出进行分析。理论分析与实验结果相符合。 关键词：     

长脉冲相对论速调管中束流脉冲缩短的研究

介绍L波段长脉冲相对论速调管放大器研究中，长脉冲强流相对论电子束(IREB)经过输入腔和中间腔间隙后的脉冲缩短问题.分析了造成束流脉冲缩短的主要机理之一是高频系统的角向非均匀模式与电子束相互作用而使得束流扩散形成的，并经过实验参数的调节，减轻了长脉冲IREB的脉冲缩短问题，得到了较强的基波调制电流.从长脉冲加速器引出500 kV，3.5 kA，1.3 μs的电子束，经过输入腔和两个群聚腔的调制后，得到了2.0 kA的基波调制电流，束流脉冲宽度由0.3 μs增加到1 μs，束流脉冲缩短问题得到明显减轻. 关键词： 相对论速调管放大器 脉冲缩短 高功率微波 长脉冲强流相对论电子束     

“神龙一号”电子束时间分辨能谱测量新方案

介绍了"神龙一号"直线感应加速器电子束时间分辨能谱测量新方案——用螺线管磁场旋转束流法测量其出口电子束能谱,阐述了旋转束流法基本原理及测量方案设计,并且讨论了测量误差。此方案所测能谱为时间分辨离散型束流能谱,其误差与所测离散束流能谱相关。通过测量"神龙一号"加速器末端的电子束流在螺线管磁场中的旋转角度及角度展宽,从而得到脉冲电子束流能谱。     

CSRm束流径向和轴向振荡的耦合

介绍了由于磁铁的安装误差和螺线管的存在而造成的束流径向和轴向的耦合，以及耦合对束流稳定的影响。结合CSRm结构的典型参数分析得出:二极磁铁和四极磁铁在纵向角安装偏差为-0.5~0.5 mrad；有螺线管存在的情况下，工作点落在和共振线时，将导致束流不稳定而大量损失，落在差共振线时，束流稳定。通过模拟计算发现:螺线管产生的耦合远大于磁铁的纵向角安装偏差产生的耦合。     

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.     

Field theory of dielectric Cherenkov maser

The effect of three-dimensional perturbed velocity and three-dimensional perturbed current density on the beam-wave interaction of dielectric Cherenkov maser is analysed by use of the self-consistent linear field theory. Three distinct cases are considered. First, the propagation of the electron beam in an annular dielectric liner enclosed by a loss-free conducting wall is investigated. The dispersion equation and the simultaneous condition of the beam-wave interaction are derived. It's clearly shown that the instability of the interaction results from the coupling of the TM mode in the dielectric lined slow-wave waveguide to the beam mode via the electron beam. And the coupling is proportional to the density of the beam. The growth rate of the wave produced by the electron beam are obtained. Then, the case of a relativistic electron beam guided by a longitudinal magnetic field in the same slow-wave structure is examined. The motion of electrons could be approximated to be one-dimensional when the simultaneous condition of the beam-wave interaction of dielectric Cherenkov maser is satisfied. Finally, the effect of the background plasma on the instability of the beam-wave interaction is studied.This work is supported by National Natural Science Foundation of China.     

L波段相对论速调管放大器研究

 介绍了L 波段强流相对论速调管放大器高频系统的设计, 强流相对论空心电子束的产生、传输、调制及微波输出等的初步实验结果。在直线感应加速器上, 利用无箔空心石墨阴极, 引出了电压约500kV、电流4. 5kA、直径54. 5mm、厚度4. 5mm 的空心电子束, 经过三腔放大后, 得到了536MW 的微波峰值功率, 效率21% , 增益30dB。     

强流相对论环形电子束自调制振荡研究

 主要研究了强流相对论环形电子束在等位谐振腔内的非线性自调制振荡，用小信号理论分析了电子起振的条件，得出了电子起振的扰动频率。基于该理论分析，又提出了一种不外加磁场的新型高功率微波器件，该器件主要由一个圆柱谐振腔和一个同轴波导输出腔构成。用2.5维MAGIC粒子模拟软件对该非线性过程进行数值模拟，分析了输入电压、电流对输出微波功率的影响。模拟结果表明这种结构中确实存在非线性不稳定性，自调制的扰动频率则由电子束的初始能量、电荷密度和电子束的半径以及谐振腔的空间结构给定。利用谐振腔长为4.7 cm、二极管电压为2.8 MV、电流为20 kA的电子束，可以得到频率为4.29 GHz、功率为6 GW的微波输出，束-波转换效率约为11%。     

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。     

A Theory of the Self-Consistent and Space-Charge Effect in Hybrid-Magnicon Amplifier

A novel axially modulated, annular electron beam cusp-injected, slowly varied section opened cavity, hybrid-magnicon amplifier had been proposed I once. The hybrid-magnicon has wavelength up to millimeter wave bend. The while its non-self-consistent non-space-charge nonlinear numerical calculation method was discussed. But due to bunch effect is changing uniform distribution state of the annular electron beam in the driver cavity, and then dynamic force balances of the beam is changing. Therefore, besides the interaction force between electron beam and the rotating TM_n10 mode electromagnetic field also must consider the electromagnetic force of current density and the action force between the space-charges and the action force of the charge density grade, et al. effect. For some problems of theory, this report try discuss from Maxwell Equations.     

相对论返波管振荡器齿状阴极

研究了一种齿状阴极的电子束产生传输过程以及对相对论返波管振荡器产生高功率微波的影响。基于SINUS881加速器,利用束流轰击金属靶观测齿状阴极产生电子束在不同轴向位置上的角向分布,并开展了基于环形阴极和齿状阴极的X波段相对论返波管振荡器的实验研究。对不同齿数及尺寸对电子束流特性、器件输出微波功率和脉冲宽度的影响进行了分析。实验结果表明:当阴极的齿数增加到一定数量时,电子束的横向运动使得电子束在径向逐渐趋于分布均匀;与均匀环形阴极的打靶结果近似,此时,电子束对于相对论返波管振荡器产生微波的功率和脉宽影响不大。     

层流平衡相对论电子束束流特性的数值计算

通过对层流平衡相对论电子的运动微分方程组进行数值求解,得到正则角动量在pθ=0,pθ=const.和pθ∝r2三种情况下,束流的传输特性.针对pθ=0的相对论实心电子束,利用数值求解得到了与解析方法一致的结果,从而验证了数值方法的合理性;针对无法用解析方法求解的pθ=0环行电子束、pθ=const.和pθ∝r2的情况,利用数值方法得到了束流和空间极限电流关于波导、电子束结构和二极管电压等参数的变化规律及对轴向导引磁场的要求.计算结果表明:当相对论电子束以层流平衡态传输时,环行束较实心束具有更高的空间极限电流和更低的轴向导引磁场,且当阴极发射面与导引磁场的磁场线垂直时,维持电子束层流平衡所需的轴向导引磁场最低;电子束在有限磁场导引下以层流平衡态传输时,空间极限电流明显大于无限大磁场导引下一维近似的情况.利用数值方法对层流平衡相对论电子束进行理论研究,更全面地揭示了电子束在正则角动量满足不同条件时的束流特性,为设计新型结构的高功率微波器件提供理论参考.     

强流相对论多注电子束研究进展

研制了基于爆炸发射的扇形和圆柱形多注阴极系统,并开展了强流相对论多注电子束的实验研究。研究发现:扇形多注阴极由于发射端面电场分布严重不均,电子束主要由尖端发射,束斑畸变明显,当每注扇形电子束进入到多注扇形漂移管内时,在空间电磁场的作用下电子束会绕束心旋转,导致束斑的畸变和束流的损失;圆柱形多注阴极发射端电场分布相对均匀,电子束斑畸变较小,每注电子束在多注漂移管内绕束心的旋转不会引起束斑的畸变和束流的损失;由于阴极杆和多注阴极柱的发射,多注电子束品质较差,进入多注漂移管时存在电子束轰击管壁现象,造成束流的损失甚至截止。采用大内径磁场可增大阳极筒内半径,明显提高束流的传输效率。目前,采用功率约6.5 GW、传输效率约89%的相对论多注电子束驱动的多注速调管,可实现GW量级的微波输出。