任意时间分布电子束与单间隙微波腔的非线性自洽过程研究

将电子束作为激励源，根据Maxwell方程和电子受到的洛伦兹力，给出了描述工作模式在电 子束作用下的激励方程和电子束电子在工作模式作用下的运动方程（即微波谐振腔中电子束 与微波场相互作用的自洽方程组）.根据该自洽方程组，进一步研究了任意时间分布电子束 与单间隙微波腔的相互作用.通过分析微波腔中电子束与微波作用的线性和非线性过程，给 出了电子束调制深度、微波腔作用间隙对微波输出功率的影响.最后从理论上给出了影响微 波输出功率的综合物理参量. 关键词： 微波腔 模式 自洽方程 单间隙微波腔     

任意时间分布电子束同单间隙微波腔的非线性自洽过程

在高功率微波（HPM）的研究中，电子束同微波腔中微波场相互作用是大家所关心的问题，微波腔中电子束与微波场的相互作用，是一个闭环过程，微波场影响电子的运动，同时电子束作为电流源也产生辐射，影响微波场。不同微波腔的微波场不同，电子束同微波场的相互作用形式也不相同，但是在微波场作用下电子束群聚，群聚的电子束反过来影响微波场的自洽过程。     

利用场耦合理论研究微波谐振腔

 根据Maxwell方程，微波腔中的实际微波场可以按微波腔的模式展开，从而确定微波腔的工作特性（如：工作频率、场分布等），但是实际微波腔的模式很难求解。从Maxwell方程出发，根据微波腔的具体边界，将微波腔分成：规则形状微波腔和非规则部分，建立实际微波腔模式同规则形状微波腔模式之间的场耦合方程，从而确定微波腔模式的频率和场分布。     

X波段准周期加载微波腔研究

 准周期加载微波腔的基本结构是周期结构，在强引导磁场作用下，强流电子束同微波强作用产生高功率微波；作用过程分为三个阶段：电子俘获、群聚和换能；而周期结构的作用主要在于电子俘获。适当设计的结构，不仅束波转换效率高，而且对电子束质量（如能散）的要求也不高。从微波场对电子运动的影响，研究了电子束在微波腔中的俘获、群聚和换能的束波互作用过程。基于760kV，7kA的环形电子束，采用准周期加载微波腔结构，在模拟上获得了X波段（9.3GHz）峰值功率为1.3GW的微波输出，效率接近24%。     

耦合孔对微波腔的影响研究

从Maxwell方程出发,将微波腔中的实际微波场按其本征模式展开,进行微波腔的工作特性(如工作频率、场分布等)的研究.在具体处理过程中,根据复杂结构微波腔的具体边界,将微波腔分成规则形状微波腔和非规则(含耦合孔)部分,建立实际微波腔模式同规则形状微波腔模式之间的场耦合方程,从而确定耦合孔对微波腔模式的影响,并对开耦合孔的圆柱腔进行了相应的理论和模拟研究. 关键词： 微波腔 模式 场耦合 圆柱微波腔     

两腔高功率微波振荡器研究

对一种新型两腔振荡器进行了理论和数字模拟研究.这种结构中的调制腔实现电子束速度调制，调制后的电子束在通过两腔之间一个微波场较弱的区间时实现电子束群聚，然后在换能腔实现电子能量到微波能量的转换，并通过输出结构输出.同时，调制腔和换能腔之间存在微波耦合，换能腔中的一部分微波能量可以耦合到调制腔，形成一个正反馈回路，在一定条件下实行微波振荡.设计了一个X波段的器件，理论效率为294%，25维Particle in Cell(PIC)程序模拟的效率为28%，微波频率为942GHz，微波输出功率为225GW. 关键词： 高功率微波 微波腔 模式 自洽方程     

双微波馈入热阴极微波电子枪实验研究

中国工程物理研究院紧凑型自由电子激光太赫兹源装置采用了两路微波独立调谐热阴极微波电子枪作为注入器,一路由首腔馈入激励首腔和实现阴极表面建场并引出电子,另一路由后续腔馈入并通过腔间耦合激励各腔,两路微波互不耦合。对于这种微波激励方式,微波电子枪首腔的电场相位和幅度在实验中均可调节,因此可以通过实验研究来优化微波电子枪的工作参数,从而减小热阴极微波电子枪的电子反轰效应,提高束流品质。介绍了该热阴极微波电子枪热测实验研究的最新结果,通过BCT测得微波电子枪出口处束流强度超过400mA,电子反轰效应随着首腔电场的相位和幅度调节发生显著变化,这些指标和实验现象与理论研究结果较为吻合。     

利用场耦合理论研究开放微波谐振腔

在高功率微波(HPM)和驻波加速器的研究中，开放微波腔模式(微波场分布、频率和Q值)一直是大家所关心的问题，微波腔通常是具有复杂形状的圆柱腔；多年来，关于微波腔模式的研究一直在进行。从电磁理论(Maxwell方程)和有关的数学方法出发，建立开放微波腔模式同封闭微波腔模式之间的场耦合方程，由此确定开放微波腔模式。     

X波段类周期加载微波腔的优化设计和粒子模拟

提出了一种类周期加载微波腔结构,通过理论和全电磁2.5维相对论粒子模拟程序计算,证实了电子束可以与这种谐振腔结构发生相互作用。基于该谐振腔特点,通过ASTRA程序(包含电子束自身空间电荷场的粒子运动模拟程序)设计和优化了一个X波段的类周期加载微波腔振荡器,该振荡器的束波转换效率理论值可达52%,工作频率为9.4 GHz。然后用全电磁2.5维相对论粒子模拟程序进行了进一步的优化,模拟中,输入电压700 kV,电流6.6 kA,磁场4.4 T,其输出功率为1.67 GW,束波转换效率达到36%。实验上输出微波峰值功率达到1.3 GW,脉宽26 ns,束波转换效率为26%。     

低反轰多腔热阴极微波电子枪物理设计

 为了开展基于自由电子激光的紧凑型太赫兹源技术研究,获得高品质（强流、低能散、低发射度）电子束,提出了一个低反轰双路微波馈入多腔热阴极微波电子枪的设计方案。用两路独立微波馈入激励微波电子枪,一路由首腔馈入激励首腔和实现阴极表面建场引出电子,另一路由后续腔馈入并通过腔间耦合激励各腔。两路微波互不耦合,通过移相器实现首腔和第2腔之间的相移连续可调。理论模拟结果表明:在一个射频周期内,热阴极微波电子枪的电子反轰功率约8 kW,平均反轰功率仅为1.2 W（重复频率25 Hz和脉宽6 μs）。     

用于微波电子枪的双重入腔及其阴极结构

介绍一台用于热阴极微波电子枪的双重入驻波腔及其阴极结构．根据微波枪束品质要求，首先定出腔体基本参数，然后报告了腔形、场分布、谐振频率、耦合度等的设计考虑，并给出腔体测量结果，最后介绍了阴极结构的设计．     

单晶LaB_6热阴极稳定性研究

介绍了用于１＋１／２射频腔中的ＬａＢ＿６热阴极电子枪的结构，通过分析电子枪阴极的热平衡关系和高温、强射频场条件下的阴极电流发射情况，给出了ＬａＢ＿６热阴极电子枪的热平衡和发射电流的关系曲线，并对阴极稳定性问题进行了仔细研究。     

X波段大功率耦合腔行波管3维粒子模拟

 为提高行波管的增益和输出波形的稳定性,开展了带高频切断X波段大功率耦合腔行波管的研究工作。以点频7.2 GHz为例,对X波段耦合腔行波管的大信号注波互作用过程进行了3维粒子模拟,该行波管包含一处高频切断及两处微波集中衰减器。数值模拟结果表明：行波管腔数为40、电子束电压为17 kV、电流为0.8 A时,可获得2.0 kW的微波输出功率,增益达23 dB,电子效率达14.7%。     

RF electric field penetration and power deposition into nonequilibrium planar-type inductively coupled plasmas

The RF electric field penetration and the power deposition into planar-type inductively coupled plasmas in low-pressure discharges have been studied by means of a self-consistent model which consists of Maxwell equations combined with the kinetic equation of electrons. The Maxwell equations are solved based on the expansion of the Fourier--Bessel series for determining the RF electric field. Numerical results show the influence of a non-Maxwellian electron energy distribution on the RF electric field penetration and the power deposition for different coil currents. Moreover, the two-dimensional spatial profiles of RF electric field and power density are also shown for different numbers of RF coil turns.     

热阴极微波电子枪的改进设计

 北京自由电子激光目前所用热阴极微波电子枪输出的电子束，在经过加速管加速后，位于微波脉冲前沿的电子束团存在能量偏高的现象，使得这部分电子无法对FEL增益做贡献。根据实验数据，分析了造成该现象的原因，提出一种可行的改进措施，即通过降低微波谐振腔的品质因数缩短建场时间，来消除该现象，以便提高整个装置的输出性能。