周期永磁磁场导引环形强流电子束研究

利用磁场有限元法,计算了周期性布置的永磁铁内的磁场;利用流体模型分析了作用在束电子上的力并导出了改进Matheiu函数形式的径向力方程;利用2.5维PIC程序研究了束传输的物理过程。计算发现强流相对论电子束的稳定传输与束等离子体密度、束平衡位置、磁场的强度、磁场周期长度等有关。研究认为利用周期性永磁场导引数kA的环形电子束,使之稳定传输是可能的。     

强流环形电子束在同轴永磁Halbach结构磁路中传输的初步分析

利用有限元程序SUPERFISH计算求解了同轴永磁Halbach结构磁路的磁场, 并推导出该磁场位形磁感应强度各分量的近似表达式. 利用流体模型分析了作用在电子束上的力并导出了改进马丢方程形式的径向力平衡方程, 给出了平衡条件; 利用2.5维全电磁粒子模拟程序研究了强流环形电子束在该周期系统中传输的物理过程. 计算得出强流相对论电子束的稳定传输与电子束电流, 电子束厚度, 磁场强度, 电子束入射角度等因素有关. 分析认为利用同轴永磁Halbach结构磁路导引数KA的环形电子束, 并使之稳定传输是可能的. 同时该磁场聚焦形式也为Ubitron中的束--波相互作用提供了一个作用机制.     

x强流相对论环形电子束在低磁场中传输分析

 用理论和粒子模拟相结合的方法分析了强流薄环形相对论电子束在低磁场导引下，在均匀波导，无箔二极管，以及锥形波导和渐减磁场位形条件下的传输过程，研究了束包络的波动和如何减少波动的问题。分析表明：在无箔二极管中一个适当渐增的磁场位形可以有效地抑制束电子的径向运动，从而减少电子在波导中的波动幅度；电子束在锥形波导和渐减磁场位形中运动，不会增加束电子的波动。因此适当的磁场位形可以降低微波器件对导引磁场的要求，有利于实现永磁包装微波器件。     

强流环形电子束在同轴永磁Halbach结构磁路中传输的初步分析

利用有限元程序SUPERFISH计算求解了同轴永磁Halbach结构磁路的磁场,并推导出该磁场位形磁感应强度各分量的近似表达式.利用流体模型分析了作用在电子束上的力并导出了改进马丢方程形式的径向力平衡方程,给出了平衡条件;利用2.5维全电磁粒子模拟程序研究了强流环形电子柬在该周期系统中传输的物理过程.计算得出强流相对论电子束的稳定传输与电子束电流,电子束厚度,磁场强度,电子束入射角度等因素有关.分析认为利用同轴永磁Halbach结构磁路导引数KA的环形电子束,并使之稳定传输是可能的.同时该磁场聚焦形式也为Ubitron中的束一波相互作用提供了一个作用机制.     

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。     

基于螺线盘聚焦径向电子束的理论分析与仿真研究

对径向电子束在浸没式聚焦条件下的传输特性进行了理论分析,得到了束流传输过程中轴向扩张幅值与外加引导磁场强度之间的解析表达式。阐述了螺线盘在空间中任意一点产生磁场的理论,给出了通以相反方向电流的螺线盘之间磁场的分布规律。设计了一种基于螺线盘聚焦径向电子束的引导磁场系统,并对电子束的传输特性进行了仿真研究,结果表明径向电子束能够在设计的引导磁场系统下实现束流的稳定传输。     

基于螺线盘聚焦径向电子束的理论分析与仿真研究

对径向电子束在浸没式聚焦条件下的传输特性进行了理论分析,得到了束流传输过程中轴向扩张幅值与外加引导磁场强度之间的解析表达式。阐述了螺线盘在空间中任意一点产生磁场的理论,给出了通以相反方向电流的螺线盘之间磁场的分布规律。设计了一种基于螺线盘聚焦径向电子束的引导磁场系统,并对电子束的传输特性进行了仿真研究,结果表明径向电子束能够在设计的引导磁场系统下实现束流的稳定传输。     

x强流相对论环形电子束在低磁场中传输分析

用理论和粒子模拟相结合的方法分析了强流薄环形相对论电子束在低磁场导引下,在均匀波导,无箔二极管,以及锥形波导和渐减磁场位形条件下的传输过程,研究了束包络的波动和如何减少波动的问题。分析表明：在无箔二极管中一个适当渐增的磁场位形可以有效地抑制束电子的径向运动,从而减少电子在波导中的波动幅度;电子束在锥形波导和渐减磁场位形中运动,不会增加束电子的波动。因此适当的磁场位形可以降低微波器件对导引磁场的要求,有利于实现永磁包装微波器件。     

采用组合引导磁场的多注二极管设计

分析了采用单一同轴磁场时强流相对论多注阴极的侧端发射问题,研究了在不同磁场内半径和多注漂移管长度情况下多注电子束的传输效率。研究发现：由于引导磁场尺寸有限,高压下多注阴极杆及多注阴极柱的电子束发射是影响多注电子束传输效率的主要因素,且该部分电子束对多注漂移管入口管壁的轰击直接影响了多注速调管的重频能力。设计了采用永磁铁和同轴磁场组合工作的强流相对论多注二极管,理论分析和模拟计算证明：基于组合磁场的多注二极管可明显减弱甚至抑制多注阴极发射球头以外的电子束发射,并且组合磁场的磁场位形和强度可满足强流相对论多注电子束的高效、稳定传输。

     

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.     

High-Power Modulated Intense Relativistic Electron Sources with Applications to RF Generation and Controlled Thermonuclear Fusion

Recent advances in the physics and technology of the modulated intense relativistic electron beams (IREB's) are reviewed in this paper. Bunched dense electron beams can be used to construct high-power RF sources, which may critically affect future progress in fusion technology. In this paper a system is described in which electrical energy can be converted from a single pulse of relatively long duration into a series of subpulses of short duration (nanosecond and subnanosecond) and of high power (~1010 W). This electrical system consists of an IREB propagating through passive structures. The mutual interaction between the electron beam and one passive structure modifies the IREB so that power compression and beam modulation occur. When the modified IREB interacts with the next passive structure, the kinetic energy of the electrons is converted into electrical energy or RF energy. The beam current modulation depends on the injected IREB and the structure parameters. A 100-percent modulation of the current has been achieved. A single-beam source may be used for exciting radiation in a frequency range of 60 MHz to 10 GHz. In the frequency range of 60-750 MHz a modulated beam with power ~1010 W has already been achieved. IREB modulation at a frequency of ~3 GHz was performed and RF energy was extracted from the bunched beam with power output of 5 × 108 W.     

同轴相对论速调管周期永磁聚焦系统的初步研究

为了探索相对论速调管放大器(RKA)的小型化技术,开展了同轴RKA周期永磁聚焦的物理与设计技术研究。周期永磁聚焦系统采用Halbach阵列结构,产生的磁场类型为周期性会切磁场。首先给出该系统的磁场各个分量的表达式,分析该系统磁场分布的特点,并推导得出该系统聚焦强流环形电子束的稳定条件。根据该稳定条件,对Ka波段同轴RKA设计了一个周期永磁聚焦系统,并优化了周期磁场参数,确定了磁场系统设计的最佳周期和幅值。研究结果显示,周期永磁(PPM)聚焦系统在周期长度18 mm和磁场幅值0.33 T的条件下可引导500 kV、6 kA的同轴RKA,得到1 GW的微波输出功率,物理分析确定了周期永磁聚焦系统应用于高功率同轴RKA的技术可能性。     

SELF-MAGNETIC-FIELD-LIMITING CURRENT OF INTENSE RELATIVISTIC ELECTRON BEAM UNDER EXTERNALLY APPLIED MAGNETIC FIELD

The self-magnetic-field-limiting current of intense relat ivistic electron beam (IREB) without an externally applied magnetic field is reported and briefly commented in this paper. By using dynamic balance method the self-magnetic-field-limiting current of IREB under externally applied magnetic field is derived, showing that in this case it will increase. This result is obtained for the first time, so far as we know, and will be further tested by experiment.     

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。     

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。     

电子束在磁透镜场中压缩传输理论

给出了强流相对论电子束在磁透镜场中压缩传输系数的理论公式和计算结果,其结果说明能量传输效率随磁透镜比的增大而减小,随阴极处磁感应强度的增大而增大,对于一个特定的系统存在一个能通量密度的极限值。     

电子束在磁透镜场中压缩传输理论

 给出了强流相对论电子束在磁透镜场中压缩传输系数的理论公式和计算结果，其结果说明能量传输效率随磁透镜比的增大而减小，随阴极处磁感应强度的增大而增大，对于一个特定的系统存在一个能通量密度的极限值。     

准直孔法改善束流品质初探

本文提出了用准直孔结合调节束流导引磁场获得较好品质强流电子束的方法,运用该方法在1.5MeV直线感应加速器(LIA)进行了试验,结果准直束流前后沿明显减小,束亮度提高几倍;同时,用此方法测出了束密度及束亮度的径向分布.