强流电子束聚焦数值模拟

采用粒子模拟（PIC）方法模拟了强流电子束在薄磁透镜中的聚焦。建立了强流电子束的聚焦模型,模拟了神龙一号加速器某次实验的结果,得到的模拟结果非常接近实验值,证明采用建立的PIC模型模拟强流束经过磁透镜时的聚焦是可信的。应用此模型模拟了电子束参数（入射半径、发射度、能散度、相位角等）对焦斑直径的影响, 结果表明：在模拟条件下,电子束平行入射时最佳束包络半径位于20.0~22.5 mm;发射度和能散度对焦斑直径的影响和理论公式吻合得较好;只有入射电子束包络半径和相位角匹配时才能得到小的焦斑直径。     

强流电子束聚焦数值模拟

采用粒子模拟（PIC）方法模拟了强流电子束在薄磁透镜中的聚焦。建立了强流电子束的聚焦模型,模拟了神龙一号加速器某次实验的结果,得到的模拟结果非常接近实验值,证明采用建立的PIC模型模拟强流束经过磁透镜时的聚焦是可信的。应用此模型模拟了电子束参数（入射半径、发射度、能散度、相位角等）对焦斑直径的影响, 结果表明:在模拟条件下,电子束平行入射时最佳束包络半径位于20.0~22.5 mm;发射度和能散度对焦斑直径的影响和理论公式吻合得较好;只有入射电子束包络半径和相位角匹配时才能得到小的焦斑直径。     

强流相对论电子束的数值模拟

我们研制了CEBQ程序和ENVLOP程序，模拟稳态相对论电子束在二极管区的产生和加速，以及电子束在阳极通道内的传输过程。CEBQ程序模拟二极管区电子轨道，当阳极电压为1．5MV时，阴极总发射电流为17．9kA，进入阳极通道内的传输电流为4．3kA，阳极入口处D=4cm的束发射度为24．9cm．mrad。ENVLOP程序使用线性近似下的包络方程，描述电子束包络在螺旋管引导磁场作用下的变化，讨论了外加引导磁场对包络的影响。计算结果表明，在合适引导磁场作用下，束包络起伏较小，进入阳极通道的束流(4．3kA)能全部通过。     

强流电子束泵浦百焦耳级氟化氪激光

本文介绍中国原子能科学研究院建造的强流电子束泵浦的百焦耳级氟化氪激光装置的主要性能,重点介绍脉冲功率技术和激光振荡器的一些关键技术。     

强流脉冲电子束表面改性的物理模型及数值模拟

推导出了强流脉冲电子束处理过程的应力场方程,利用数值模拟,得到了温度场和应力场的分布曲线,分别给出了熔化深度、升降温的速率及温度梯度的大小,准静态应力和热应力波的幅值、应力波的传播及反射过程,利用数值模拟结果对实验中观察到的实验现象熔化深度、材料表层及次表层数微米范围内组织结构的变化及数百微米的硬度提高等给出了解释。     

强流脉冲电子束表面改性的物理模型及数值模拟

 推导出了强流脉冲电子束处理过程的应力场方程，利用数值模拟，得到了温度场和应力场的分布曲线，分别给出了熔化深度、升降温的速率及温度梯度的大小，准静态应力和热应力波的幅值、应力波的传播及反射过程，利用数值模拟结果对实验中观察到的实验现象熔化深度、材料表层及次表层数微米范围内组织结构的变化及数百微米的硬度提高等给出了解释。     

强流电子束产生和传输的数值模拟

本文采用SLAC-226程序计算了1.5MV强流电子束在二极管内的加速过程以及出阳极后的传输过程。高亮度二极管的设计是高效率自由电子激光的关键技术之一。本工作的目的就是通过1.5MV注入器的数值模拟,为寻找优化的二极管结构设计提供一种有效的数值方法。程序考虑了外加电磁场和电子束自身空间电荷和自生磁场效应。我们讨论了外加磁场的各种构形以及它们对束流品质的影响,计算结果与国外EBQ程序计算结果和实验结果进行了比较,证明本工作的结果是可靠的。SLAC-226程序可以为直线感应加速器的设计提供参考数据。     

强流电子束源阴极等离子体的粒子模拟

模拟了强流电子束源阴极表面附近区域数密度约1014 cm-3的等离子体的膨胀过程,观察到等离子体膨胀速度约为1 cm/μs。通过观察不同时刻阴极附近电子和离子的相空间分布、数密度分布和轴向电场分布,分析了等离子体膨胀过程。结果表明:等离子体的产生使得阴极表面电场增强,进而增大阴极的电流发射密度,电流密度增加使得空间电荷效应增强,并使等离子体前沿处的电场减小,当等离子体前沿处的电场减小到零时等离子体向阳极膨胀。讨论了等离子体温度、离子质量、束流密度和离子产生率对等离子体膨胀速度的影响。结果表明:等离子体的膨胀速度随着等离子体温度升高而增大,随离子质量增大而减小,但膨胀速度不等于离子声速;等离子体产生率越小,等离子体膨胀速度越小。     

强流多注电子束高效率引入的模拟研究

强流相对论多注速调管相对于单注速调管具有导流系数低,输出功率高和效率高的优点,并且可以明显降低引导磁场强度,因此得到快速发展。但是其多注电子束引入漂移管效率低的问题,影响了多注速调管的整管效率,限制了其稳定高效运行和应用推广。论文采用粒子仿真软件CHIPIC对多注速调管二极管爆炸发射过程进行仿真研究,寻找影响多注速调管引入效率的主要因素,并对阴极结构进行了优化,设计出三种两段式新型多注阴极结构并进行冷阴极爆炸发射模拟研究。研究结果表明：给定参数下,常规结构由于底座边缘的不必要的环形电子束发射,只能达到82%的引入效率,而三种新型阴极结构通过抑制不必要电子发射,引入效率都可以提高至95%以上,最高达到99%。     

强流同步双阴极二极管电子束模拟与诊断

 高同步性的多电子束能够驱动产生有利于实现相位控制的多束微波,是高功率微波功率合成的关键技术。对单台加速器驱动强流同步双阴极二极管进行了模拟,在二极管阻抗约10 W,输入电压442.6 kV条件下,获得了总功率大于20 GW、总束流为47.6 kA、同步时间差小于6 ns的双电子束。开展了轰击不锈钢目击靶实验和同步双电子束诊断实验,双阴极材料为不锈钢,单个阴极长30 mm,两阴极中心间距为100 mm,阴极发射面采用天鹅绒,单阴极半径为20 mm,在阴阳极最大电压为442.8 kV时,束流峰值总和为48.78 kA,双束流同步时间差保持在4~6 ns范围内,实验结果与模拟符合较好。     

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。     

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。     

强流电子束二极管陶瓷真空界面

从绝缘和机械强度两方面优化设计了一种应用于强流电子束二极管的陶瓷真空界面。首先,依据真空沿面闪络机理及其影响因素,针对外径220 mm的陶瓷板,应用ANSYS静电场模拟,通过对阴极电极形状和阳极外壳尺寸的调整,使得陶瓷沿面电场和阴、阳极三结合点场强均得到了有效控制。模拟结果显示：陶瓷沿面电场分布均匀,阴、阳极三结合点场强小于30 kV/cm,电场线与陶瓷表面所成角度基本保持在45;其次,针对陶瓷与电极的约束结构,通过静力和瞬态冲击分析,确定了该陶瓷界面可承受的最大静压和冲击波最大峰压分别为4.8 MPa和60 MPa;最后,在脉宽200 ns的脉冲功率驱动源上进行了实验研究,陶瓷真空界面平均绝缘场强达到44 kV/cm,二极管运行稳定,机械性能可靠,实验结果与理论设计相符。     

超强激光与泡沫微结构靶相互作用提高强流电子束产额模拟研究

利用二维粒子模拟方法,本文研究了超强激光与泡沫微结构镀层靶相互作用产生强流电子束问题.研究发现泡沫区域产生了百兆高斯级准静态磁场,形成具有选能作用的"磁势垒",强流电子束中的低能端电子在"磁势垒"的作用下返回激光作用区域,在鞘场和激光场的共同作用下发生多次加速过程,从而显著提升高能电子产额.还应用单粒子模型,分析了电子在激光场作用下的运动行为,验证了多次加速的物理机理.     

强流电子束二极管陶瓷真空界面

从绝缘和机械强度两方面优化设计了一种应用于强流电子束二极管的陶瓷真空界面。首先,依据真空沿面闪络机理及其影响因素,针对外径220mm的陶瓷板,应用ANSYS静电场模拟,通过对阴极电极形状和阳极外壳尺寸的调整,使得陶瓷沿面电场和阴、阳极三结合点场强均得到了有效控制。模拟结果显示:陶瓷沿面电场分布均匀,阴、阳极三结合点场强小于30kV/cm,电场线与陶瓷表面所成角度基本保持在45°;其次,针对陶瓷与电极的约束结构,通过静力和瞬态冲击分析,确定了该陶瓷界面可承受的最大静压和冲击波最大峰压分别为4.8MPa和60MPa;最后,在脉宽200ns的脉冲功率驱动源上进行了实验研究,陶瓷真空界面平均绝缘场强达到44kV/cm,二极管运行稳定,机械性能可靠,实验结果与理论设计相符。     

强流脉冲电子束轰击下回喷靶材速度测量与数值模拟

叙述了用高速摄影技术研究强流脉冲电子束与钽金属靶相互作用后靶材的回喷现象,得出了靶材回喷的速度。并且采用EGS4程序和Euler流体力学方程组分别模拟了电子束在靶内的能量沉积和束靶相互作用的动力学过程。实验表明,钽金属靶在强流脉冲电子束轰击下,回喷靶材的轴向速度大于2.9 mm/μs,而模拟结果表明理想情况下回喷靶材自由面的轴向速度可达9.7 mm/μs。实验和理论计算为阻挡回喷靶材的快门设计提供了必要的参数。     

强流脉冲电子束轰击下回喷靶材速度测量与数值模拟

 叙述了用高速摄影技术研究强流脉冲电子束与钽金属靶相互作用后靶材的回喷现象,得出了靶材回喷的速度。并且采用EGS4程序和Euler流体力学方程组分别模拟了电子束在靶内的能量沉积和束靶相互作用的动力学过程。实验表明,钽金属靶在强流脉冲电子束轰击下,回喷靶材的轴向速度大于2.9 mm/μs,而模拟结果表明理想情况下回喷靶材自由面的轴向速度可达9.7 mm/μs。实验和理论计算为阻挡回喷靶材的快门设计提供了必要的参数。     

一维漂移空间内强流电子束的稳态传输特性

在计算了一维平板和同轴结构漂移空间的空间电荷限制流的基础上,对其中超过空间电荷限制流状态下强流电子束的稳态传输特性进行了理论分析.分析给出了确定束流稳定传输时形成虚阴极的位置和虚阴极处电子束透过率的表达式,求解了束流电子在漂移空间内的渡越时间,平板结构漂移空间内得到了通用的解析结果,同轴结构漂移空间内得到了适合一定结构参数条件下的近似结果. 关键词： 强流电子束 虚阴极 一维漂移空间 传输特性     

回流离子对强流相对论电子束传输的影响

介绍了采用双膜法测量神龙一号直线感应加速器靶区回流离子效应的实验工作,通过一片厚度数十μm的靶膜产生回流离子,并采用基于光学渡越辐射的电子束剖面测量系统记录时间分辨的束斑,首次证实了神龙一号加速器靶区存在回流离子。通过采用不同材料的靶膜,实验观测到了不同离子发射情况下回流离子对强流相对论电子束传输的影响,结果发现采用金属靶膜时,回流离子导致电子束部分汇聚、部分发散,而采用聚合物薄膜时,回流离子会导致电子束剖面出现剧烈的变化。     

强流二极管阳极电子束时域能量沉积特性模拟

以强流脉冲电子束为研究对象,提出了一种基于离散时间、限定靶面位置,通过测量靶面不同时刻入射角分布,利用蒙卡程序计算得到电子束的能量(r, z)二维分布沉积值的方法。给出了典型弱箍缩平板二极管(电压峰值700 kV、阻抗7 Ω)阳极靶面不同位置时域的能量沉积值,分析了(0, 0°),(25 mm, 135°),(36 mm, 270°)三个位置纵切剖面的能量沉积特性,结果表明：在各个时间段内电子束入射能量确定的情况下,能量沉积特性与入射角呈现相关性,仿真结果与实验结果符合较好,偏差均小于10%;距阳极靶心25 mm以外的靶面位置,受束流箍缩影响,入射角分布变化较大;当入射角较小时(小于40°),强流电子束能量沉积峰值深度约0.2 mm;当入射角超过40°时,能量沉积峰值深度减小到0.1 mm左右;而阳极靶心位置附近,受束流箍缩影响较小,这些位置的能量沉积特性更接近于小角度入射角情形。