离化靶中多脉冲强流电子束的不稳定性

多脉冲强流电子束轰击轫致辐射靶,在靶面形成等离子体层,将对后续电子束脉冲的稳定性产生影响。从基本等离子理论出发,利用成熟的等离子体粒子模拟程序计算在不同等离子条件下电子束流的稳定性。模拟显示在无外场情况下,当等离子体与电子束的密度比小于1时,能量20 MeV、束流强度2.5 kA、焦斑1.5 mm的电子束出现腊肠不稳定性,但相对靶面焦点区而言,束流稳定;当密度比在1~100时,箍缩不稳定性能够改善电子束的聚焦;当密度比在100~1000时,扭曲不稳定性起主导作用,靶面焦点区电子束流仍然稳定;当密度比大于1000后,成丝不稳定性破坏束流,电子束无法在靶面聚焦。     

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。     

基于等离子体粒子模拟的喷气Z箍缩过程物理研究

给出了喷气Z箍缩动力学过程在二维柱坐标系下的等离子体粒子模拟物理模型,编写了相应的程序.对低电流驱动下的稀薄喷气Z箍缩动力学过程进行了验证性的等离子体粒子模拟,得到了许多微观的Z箍缩物理信息,如负载中的电流(密度)、电磁场、粒子位置和密度的时空演化,以及总的z箍缩拖尾质量和拖尾电流等信息.发现在Z箍缩过程中,模拟得到的等离子体电流随时间的变化反映出了等离子体箍缩到心和反弹的过程特征,磁场随径向的变化与长直导线电流给出的磁场很接近;电子所受到的电场力和磁场力(洛伦兹力)是相当的,而离子所受到的力主要是电场力;电子首先在z方向加速,然后在自身运动产生电流的磁场的作用下向轴心箍缩,而离子是在电子和离子电荷分离所产生的电场力的作用下向轴心运动;在压缩到轴心附近时,电子首先因静电排斥而飞散,而离子则在惯性的作用下继续向轴心箍缩,而后滞止飞散.Z箍缩等离子体的拖尾质量在20%左右,拖尾电流最大时在7%左右.     

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。     

微型法拉第筒阵列束流均匀性测量

研制了一种用于测量强流脉冲电子束束流均匀性的微型法拉第筒阵列,其直径为22mm,由5个微型法拉第筒组成,最大可测束流密度为38A/mm2。利用该系统测量了二极管阳极靶面的束流密度,得到了阳极靶面束流均匀性的分布情况。结果显示,阳极靶面中心处束流密度高于靶面其他位置,靶面束流存在弱箍缩,束流局部均匀,大面积不均匀,束流密度呈径向分布。该结果与理论预期和仿真计算符合较好。     

质子束尾波场中利用密度跃变实现电子捕获及加速的粒子模拟

 用2D3V粒子模拟程序研究了高能质子束驱动的尾波场加速电子的方案,及其在此方案中应用背景等离子体密度的跃变致使等离子体电子自注入加速相区的可能性。粒子模拟结果显示:密度跃变实现了电子的自注入,并且捕获的电子束处于加速相位,等离子体尾波场纵向电场对捕获的电子束起箍缩作用;捕获的电子束随着传输,表现为窄能谱分布;同时随着密度跃变大小的增大,可以增加等离子体电子的捕获。     

赝火花脉冲电子束传输中束斑分析

通过赝火花强流脉冲电子束对酸敏变色片和单晶硅的轰击试验，结合束流自箍缩效应进行理论计算，对赝火花脉冲电子束传输中束斑的变形进行了研究与分析. 结果表明椭圆形轰击束斑是由通过旁路电容的瞬态电流产生的方位角磁场所引起的，并且提出了解决束斑变形的有效方法. 关键词： 脉冲电子束 赝火花放电 束斑 自箍缩效应     

激光驱动强流电子束产生和控制

在惯性约束聚变(ICF)电子束快点火物理方案中,需要超强拍瓦激光脉冲驱动MeV能量的强流电子束,并沉积数十kJ能量到压缩氘氚芯区。强流电子束的束流品质是影响点火成功的关键因素之一,为深入了解强流电子束产生物理过程,研制成了三维高性能、适应上万CPU核规模的并行粒子模拟程序,并开展了大规模数值模拟研究,探索了强流电子束的产生机制和输运规律。回顾了近几年来快点火研究团队围绕强流电子束产生和控制开展的研究,介绍了导致束流品质差的两大物理原因:预等离子体效应和束流不稳定性磁场的随机散射。针对这两个物理原因,提出了四种提高强流电子束品质的方法:(1)双层金锥靶减弱预等离子体的负面效应;(2)输运丝产生环向磁场准直强流电子束;(3)外加磁场导引强流电子束提高耦合效率;(4)抑制束流不稳定性以降低随机磁场对电子束流的散射。     

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。     

非均匀磁场约束条件下的电子束空气等离子体特性

为了揭示大气环境电子束等离子体的性质,基于蒙特卡罗程序包Geant4建立了一个包含电离、激发以及轫致辐射等物理过程的计算模型,用于模拟非均匀磁场约束条件下高能强流稳态电子束的输运特性、以及大气环境等离子体的性质。结果表明:非均匀磁场可以有效控制电子束在空气中的输运轨迹,显著降低电子束的发散;随着电子束在空气中行程的增加,电子束能谱开始展宽并向低能区移动;输运装置出口能量损失比电子束射程末端高2个量级,且随着电子束输运距离的增加,等离子体密度降低;等离子体密度的高低与电子束能量直接相关。     

碳纳米管阴极的短脉冲爆炸场发射与等离子体膨胀

采用碳纳米管制备了一种强流电子束发射阴极,并对碳纳米管阴极在双脉冲条件下的强流发射性能进行了研究.在双脉冲条件下获得了245 A/cm²的强发射电流密度,阴极的开启时间约为40 ns.采用高速分幅相机和CCD相机对强流电子束在空间和时间的分布进行了研究.研究表明连续脉冲实验时,离子体及其膨胀对发射电子束的强度和分布影响很大,双脉冲时脉冲间隔时间内等离子体的膨胀速率约为8.17 cm/μs.等离子体形成时没有优先位置,电子束发射的局部增强位置是随机的.结果表明碳纳米管阴极可以作为强流阴 关键词： 碳纳米管 爆炸场发射 等离子体膨胀 强流电子束     

Condition for Injection of Intense Relativistic Electron Beams into a Z Pinch

Intense relativistic electron beams have been injected into the plasma of a Z pinch at various times during the formation of the plasma column. If the diameter of the plasma column exceeded a certain value, these beams were found to propagate with a high transport efficiency when injected either into the collapsing current sheet of the Z pinch or into the expanding plasma column after its diameter had reached a minimum. However, when the diameter of the plasma column is smaller than this critical value, the relativistic electron beam does not propagate. Instead, it continues to diverge until it strikes the glass wall of the Z pinch tube.     

强流碳纳米管阴极快脉冲重频发射特性

在Cu基底上, 采用催化热解生长法制备了石墨化程度较高的碳纳米管阴极. 当电子束能量达到1 MeV、梯度约为60 kV/ns时, 发射束流强度达到15 kA, 相应密度约为1 kA/cm², 束压、束流响应快, 波形间几无延时. 以50 Hz重复频率、约15 GW束功率强流发射时, 波形稳定, 随着频率增高, 稳定性降低. 发射炮次达1000后, 表面形貌保持完整、界面无脱附; 束压与束流基本满足空间电荷限制定律, 发射机理属闪络型等离子体发射, 等离子体速度约为3.9 cm/μs.     

电子回旋共振等离子体密度均匀性的数值研究

基于漂移扩散近似,在轴对称假设下,对电子回旋共振等离子体源腔室内的等离子体建立了二维流体模型.采用有限差分法对所建立的模型进行了自洽数值模拟,得到了等离子体密度均匀性随时间演化的数值结果.通过对数值结果的分析,研究了背景气体压强、微波功率和磁场线圈电流对等离子体密度均匀性的影响.研究表明,在电离初期,电子密度的均匀性好于离子密度的均匀性.在电离后期,离子密度的均匀性好于电子密度的均匀性.随着背景气体压强的增大,电子密度和离子密度的均匀性都在增加,且离子密度的均匀性增加的更快.随着微波功率的增大,电子密度和 关键词： 等离子体密度均匀性 背景气体压强 微波功率 磁场线圈电流     

Non‐linear interaction of a q‐Gaussian laser beam in a plasma channel created by the ignitor‐heater technique

This paper presents a theoretical investigation of the propagation characteristics of a q‐Gaussian laser beam propagating through a plasma channel created by the ignitor‐heater technique. The ignitor beam creates the plasma by tunnel‐ionization of air. The heater beam heats the plasma electrons and establishes a parabolic channel. The third beam (q‐Gaussian beam) is guided in the plasma channel under the combined effects of density non‐uniformity and non‐uniform ohmic heating of the plasma channel. Numerical solutions of the non‐linear Schrodinger wave equation (NSWE) for the fields of laser beams are obtained with the help of the moment theory approach. Particular emphasis is placed on the dynamical variations of the spot size of the laser beams and the longitudinal phase shift of the guided beam with the distance of propagation.     

Enhancement of soft X-ray emission from a pinch plasma using a rotating plasma for pre-ionization

An experimental study on the enhancement of soft X-ray emission from a pinch plasma has been carried out by using a rotating plasma for pre-ionization. The rotating plasma is produced by a pulsed J×B cross-field discharge between coaxial electrodes, and subjected to a pinch discharge. Under an optimized discharge condition, it has been observed that UV emission of 251.6 nm (Ar III) soft X-ray intensity increases with increasing applied axial magnetic field B. At 400 G, the X-ray intensity is enhanced by a factor of 3 compared to that without the rotating plasma. It is considered that this result is due to the improved characteristics of the pre-ionization rotating plasma, which influences the uniformity and stability of subsequent pinch plasma.     

碳纳米管场致发射中的空间电荷效应

采用微波等离子体化学气相沉积(MWPCVD)方法成功制备以碳纳米管束为单元的场致发射阵列,获得很好的场致发射电流发射特性,在电流密度较大时,发现I-V特性偏离由Fowler-Nordheim公式计算出的结果。采用Electron Beam Simulation(EBS)软件进行模拟分析发现:在电流密度较低时,I-V特性能很好与F-N公式吻合。但碳纳米管尖端电流密度大于106A/cm2时,碳纳米管尖端处的有效电场强度受空间电荷的影响比较明显,进而对碳纳米管的场致发射特性显现出不可忽略的影响,此时碳纳米管的发射电流密度开始受到空间电荷的限制。     

空心阴极等离子体电子枪研究

对空心阴极等离子体电子枪的理论与机理做了较详细的分析，介绍了空心阴极放电特性，论 述了激励电极和调制电极在空心阴极内等离子体形成过程中的作用，分析了等离子体中电子 和离子的运动及主要参数，推导出空心阴极内电场与电流密度的表达式，研究了形成稳定电 子束流的基本条件.利用泊松方程、电流连续性方程和运动方程对其进行了数值模拟计算， 并给出了优化结果. 在此基础上设计出了输出束流脉宽为1μs、幅值达2kA的空心阴极等离 子体电子枪. 关键词： 空心阴极 等离子体 电子枪     

Second harmonic generation of high power Cosh-Gaussian beam in cold collisionless plasma

The purpose of this study is to explore the second harmonic generation (SHG) of a high power Cosh-Gaussian beam in cold collisionless plasma. The ponderomotive force causes carrier redistribution from high field to low field region in presence of a Cosh-Gaussian beam thereby producing density gradients in the transverse direction. The density gradients so produced the results in electron plasma wave (EPW) generation at the frequency of the input beam. The EPW interacts with the input beam resulting in the production of 2nd harmonics. WKB and paraxial approximations are employed for obtaining the 2nd order differential equation describing the behavior of the beam's spot size against normalized distance. The impact of well-established laser-plasma parameters on the behavior of the beam's spot size and SHG yield are also analyzed. The focusing behavior of the beam and SHG yield is enhanced with an increase in the density of plasma, the radius of the beam and the decentred parameter, and with a decrease in the intensity of the beam. The results of the current problem are really helpful for complete information of laser-plasma interaction physics.     

Experimental results of helicon sources

Helicon plasma sources are known as efficient generators of uniform and high density plasma.A helicon plasma source was developed for the investigation of plasma stripping and plasma lenses at the Institute of Modern Physics, CAS.In this paper, the characteristics of helicon plasma have been studied by using a Langmuir four-probe and a high plasma density up to 3.9×10~(13)/cm~3 has been achieved with the Nagoya type Ⅲ antenna.In the experiment, several important phenomena were found: (1) for a given magnetic induction intensity, the plasma density became greater with the increase of RF power; (2) helicon mode appeared at RF power between 300 W and 400 W; (3) the plasma density gradually tended to saturation as the RF power increased to the higher power; (4) a higher plasma density can be obtained by a good match between the RF power and the magnetic field distribution.The key issue is how to optimize the matching between the RF power and the magnetic field.Moreover, some tests on the extraction of ion beams were performed, and preliminary results are given.The problems which existed in the helicon ion source will be discussed and the increase in beam density will be expected by extraction system optimum.