低阻抗二极管产生的强流电子束能谱分布的数值模拟

 给出了低阻抗二极管产生的电子束能谱分布及外加磁场对二极管阻抗影响的数值模拟研究结果。结果表明，即使在外加电压恒定的条件下，二极管产生的电子束也具有一定的能谱分布，这说明用二极管电压、电流波形计算脉冲电子束能谱分布是不正确的。另外,外加磁场对低阻抗二极管的阻抗特性具有较大影响，其阻抗随外加磁场的增大而减小。分析认为这是由于外加磁场强度的变化改变了二极管中束电子的运动轨迹。当没有外加磁场或外加磁场较小时，低阻抗二极管产生的电子束发生自箍缩，此时二极管电流是自箍缩饱和顺位流；当外加磁场足够强时，电子束的自箍缩被抑制，二极管电流是没有箍缩时的空间电荷限制电流。束电流小于自箍缩临界电流的二极管其阻抗将不随外加磁场的变化而变化。     

磁场对球头阴极二极管特性的影响

 采用全电磁PIC粒子模拟方法研究了磁场对球头阴极二极管物理特性的影响。结果表明外加磁场主要是通过对二极管束流轨迹的改变来影响二极管的物理特性。由于外加磁场将约束其产生电子束的发散，结果使其空间电荷限制电流减小，其值在无外加磁场并且自磁场可以忽略时的空间电荷限制电流值的0.5~1倍范围内。当外加磁场足够强时，束流轨迹主要受外加磁场控制，二极管产生的电子束既不箍缩也不发散。强外加磁场条件下的空间电荷限制电流近似为无外加磁场时的一半；在无外加磁场条件下，在阳极处的束流半径随二极管电压电流的增大而减小，空间电荷限制电流增强因子随束流半径的减小而减小，随二极管电压电流增大而减小。这一系列结果是在二极管电流小于其自箍缩临界电流条件下得到的。     

无箔二极管电磁PIC模拟空间电荷限制发射模型比较

 为了在无箔二极管电磁PIC模拟中采用与电磁场自洽的空间电荷限制发射模型，对查尔特定律模型、高斯定律模型和一维二极管模型进行了理论分析和实例模拟比较。模拟结果表明，三种模型都能与电磁场自洽并反映外加磁场对发射电流的影响，但高斯定律模型受网格剖分粗细程度的影响较大且容易产生振荡，一维二极管模型在网格参数合理的情况下结果与查尔特定律模型基本接近，但需要求解超越方程，花费时间多。通过对模拟结果进行分析和比较，认为外加磁场对电子发射模型本身的影响很小，在电磁PIC数值模拟中可以不考虑，因此，查尔特定律模型更适合用于无箔二极管的电磁PIC模拟。     

同轴型强流电子束二极管的一种解析近似

 从描述电子束运动的基本方程出发,引入一定条件下的近似,获得了一种实用的同轴二极管电流、电压与几何参数关系的近似解析解。给出了同轴二极管阻抗、间隙电压分布与二极管外加电压以及结构参数之间的关系式,并与1维模型精确数值解进行比较分析。采用了PIC数值模拟方法对该理论分析结果在常用参数范围内的准确性进行了验证,获得了一致的结果。与相对论条件下的实验结果数据相比,在二极管电压为300～700 kV时实验结果与该理论估算值非常接近。     

S波段分离腔振荡器的数值模拟与设计

通过粒子模拟的方法设计了分离腔振荡器(SCO),并建立了基于爆炸发射的阴极模型,对带有真实二极管结构的SCO进行了整体的粒子模拟研究。典型的数值模拟结果为:在二极管电压为495 kV,电流为3.93 kA时,输出高功率微波的功率为640 MW,微波频率为2.85 GHz,功率效率为33.0%。同时,还研究了二极管输入电压幅度及波形、阴-阳极间距、阴极半径等参数对SCO输出高功率微波特性的影响,初步研究结果表明:除了栅网的通过率,SCO对二极管阻抗、阴极半径等参数也比较敏感,对应一定的二极管阻抗,需有一个最佳的电压值与之匹配;三角波电压波形会明显降低SCO的功率效率。     

强流电子束无箔二极管结构设计与特性研究

 主要叙述高功率二极管的理论模型和结构设计，采用基于引导磁场和相对论近似情况下的空间电荷限制流模型，对磁浸没无箔二极管产生的空心相对论电子束进行了动态数值模拟，研究了二极管几何结构及引导磁场对二极管束流特性的影响。     

向内发射同轴型二极管电流电压关系二维修正

 给出了对同轴型强流电子束二极管的电流电压关系进行的部分理论推导与介绍,同时利用PIC数值模拟以及实验研究得到的二维效应修正关系曲线。在研究中首先给出了对向内发射同轴型二极管在不同电压等级下的电流电压关系,然后用PIC数值模拟方法进行验证。对数值模拟的结果也给出了理论推导公式在不同状态下的二维效应修正因子与电子束流运动的特点。在研究中得到的电流电压关系理论公式基本上反映了不同条件下同轴型二极管的束流特性,所以此研究结果可以直接应用于包含同轴型二极管结构的脉冲功率器件的设计与实验结果的分析中,为实验中相关问题的解决提供设计的依据与理论分析基础。     

阳极杆箍缩二极管的理论模型及物理特性

闪光X射线源是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段,阳极杆箍缩二极管(RPD)作为其重要组成部分之一,直接影响闪光X射线源照相质量。研究RPD物理特性对二极管物理结构优化设计及实验调试具有重要意义。分析了RPD空间电荷限制、弱箍缩和磁绝缘阶段物理模型。基于PIC模拟技术,编写了计算程序,研究了RPD不同阶段的电子电流、离子电流及电子束箍缩物理特性。通过理论分析,获得了特定几何结构RPD物理模型修正系数及各个阶段离子电流与电子电流比,验证了粒子模拟代码的有效性。模拟结果表明:空间电荷限制阶段,粒子模拟结果与双极性流计算结果一致;在弱箍缩和磁绝缘阶段,粒子模拟得到的总电流与磁绝缘模型计算结果一致,且与文献给出的经验拟合表达式计算结果一致;磁绝缘阶段离子电流与电子电流之比与电压和二极管几何结构相关,给出了离子电子电流比增大系数η与电压和阴阳极半径比的关系,该系数受电子、离子在不同结构二极管渡越时间的影响,随电压和阴阳极半径比增加而逼近恒定值。     

复合磁场引导的小型化二极管初步设计

设计了一种非浸没式小型化轴向无箔二极管,其阴极发射区位于螺线管中心孔以外,采用螺线管、永磁体和软磁体构成的复合引导磁场系统。采用CST优化设计二极管结构,使其满足800 kV电压下绝缘要求; 优化设计磁场系统结构及物理参数,使其满足引导强流相对论电子束高效率传输的要求。采用粒子模拟(PIC)软件仿真电子束产生及传输过程,验证其高传输效率。设计的阳极筒直径比原结构缩小约40%,在产生同样均匀区轴向磁场强度情况下,引导磁场重量和功耗比原结构降低约40%,仿真结果显示主引导磁场0.85 T下,8 kA电流能够实现100%传输效率。     

通过纳米硅中量子点的共振隧穿

用纳米硅(nc-Si∶H)薄膜制成了隧道二极管，并在其I-V曲线上发现了不连续的量子化台阶.二极管的I-V曲线可分成二部分：(1)0—7V，电流随外加电压增大而增大；(2)7—9V，电流随外加电压急剧增大并出现三个量子化台阶.量子化台阶的出现直接与纳米硅中的晶粒有关，根据nc-Si∶H的独特结构，对载流子的传导通道进行了讨论；用通过nc-Si∶H中量子点的共振隧穿对I-V曲线进行了初步解释. 关键词：     

无箔二极管结构设计研究

用数值计算方法研究了无箔二极管中几何结构参量对束流的影响，得出了无箔二极管结构参数选择的部分规律，同时又结合实际给出了一个无箱二级管模型的最佳组合参数．     

Angular velocity spread of relativistic electron beam generated by high current diode

Theoretical analysis and numerical simulations of the Relativistic Electron Beam (REB) generation in a high current diode immersed in an external magnetic field has been done. The calculations have confirmed that the generated beam is homogeneous and monoenergetic in a broad central region. In the case of cylindrical diode the mixing of electron trajectories has been observed only in a narrow periphery beam region. The angle between particle trajectories and external longitudinal magnetic field varies chaotically from 0° to –25°. This phenomenon suppresses the excitation of two stream instability excited by the REB in the plasma column.     

Effect of longitudinal applied magnetic field on the self-pinched critical current in intense electron beam diode

The effect of applied longitudinal magnetic field on the self-pinched critical current in the intense electron beam diode is discussed. The self-pinched critical current is derived and its validity is tested by numerical simulations. The results shows that an applied longitudinal magnetic field tends to increase the self-pinched critical current. Without the effect of anode plasma, the maximal diode current approximately equals the self-pinched critical current with the longitudinal magnetic field applied; when self-pinched occurs, the diode current approaches the self-pinched critical current.     

Formation and transportation of low-energy high-current electron beams in the plasma-filled diode under the effect of the external magnetic field

The mechanisms behind limitation of current of nonrelativistic high-current electron beams in the plasma-filled diode immersed in the external guiding magnetic field whose intensity is comparable with that of the beam self magnetic field are studied. It is shown that the beam current is limited by transmission capacity of the double layer between the cathode and anode plasma on the one hand and, on the other hand, by charge neutralization of the beam and by the decrease of the longitudinal velocity of the beam electrons under the action of the induced electric field and of the beam self magnetic field. The effect of the beam self fields on its cross-sectional current density and energy distributions is studied. Results of the numerical simulations are in good agreement with the experimental data.     

Stationary structure of a high-frequency discharge maintained by a distributed electromagnetic source in the presence of an external magnetic field

The stationary structure of an axisymmetric high-frequency discharge maintained by a given source in an external dc magnetic field is investigated. The source is assumed to be a current wave that travels over the discharge tube surface in the direction of the external magnetic field. The source current has a single azimuthal component and its frequency belongs to the lower hybrid range. The main emphasis is placed on the special case where the electron heat conduction length across the external magnetic field exceeds considerably the tube radius. The dependences of discharge plasma parameters on the current amplitude and propagation constant along the tube have been found for this case. The results of numerical calculations of the distributions of the field and the power of the Joule loss in a discharge are presented.     

太赫兹源场致发射电子源

通过粒子模拟(PIC)软件模拟计算了在ps级别下二极与三极结构碳纳米管场致发射的电流密度与电子注聚焦性能。阳极电压在2 kV时,二极结构下电流密度达到1.85 A/cm2;三极结构下,栅压700 V时发射电流密度达到2.3 A/cm2,且在一定的三极结构参数与电极电压下,可以获得较好的电子注聚束效果。通过碳纳米管二极管发射实验,获得了6.6 A/cm2的发射电流密度,总发射电流达到52.1 mA,可以为太赫兹器件提供连续发射的电子注。     

电磁铁摇摆器磁场的二维数值计算

本文根据泊松方程用数值计算给出了电磁铁摇摆器的二维磁场分布,定量地讨论了磁极形状、磁隙大小、周期长短和电流大小等因素对峰值磁场强度的影响,重点讨论了如何根据二维磁场分布选择磁极形状才能提高峰值磁场强度和抑制磁饱和的问题。将计算的二维磁场分布和摇摆器磁场的理想波形相比较,可以帮助我们确定进入摇摆器的束流半径应该控制的范围。在对电磁铁摇摆器磁场二维数值计算的基础上,还探讨了适用ATA电子束的PALADIN摇摆器用于ETA电子束带来的结构设计和材料选择等问题。     

Effect of the expanding explosive-emission centers plasma on theimpedance of a high-current diode

Formulas for the space-charge-limited electron current in a planar diode with a small hemispherical or hemi-cylindrical plasma emitter have been obtained theoretically and by a numerical simulation. For a periodic cathode structure of hemispherical emitters, an approximate expression for current is derived. Based on these results, the increase in current with time in high current explosive-emission diodes is explained. A condition has been found under which the expanding cathode plasma has no effect on the diode impedance. This is related to the electric field pressure on the cathode. A configuration of the cathode surface has been proposed which provides realization of this condition