强流相对论带状电子束的产生与传输

题名:强流相对论带状电子束的产生与传输
作者:杜广星
学位授予单位:国防科学技术大学
关键词:强流相对论带状电子束;;产生与传输;;周期会切磁场;;边聚焦磁场;;稳定性
摘要:带状电子束高功率微波源因具有在降低电流密度的同时,保持好的紧凑性和高的束-波相互作用效率的潜力,可望成为高功率微波源发展的新途径。真空波导管内强流相对论带状电子束的产生和传输是带状电子束高功率微波源研究中必须首先解决的一个难题,但关于该问题的研究鲜见报导。该问题的困难之处Magnetic lifter主要包括三维理论分析中合理、准确的三维建模,采用冷阴极爆炸发射产生电流密度均匀的带状电子束,为带状电子束提供足够聚焦力与保持束电子运动稳定性之间矛盾的调和,周期会切永磁铁的安全装配及装配误差的控制,带状电子束电流和横截面电流密度分布的测量等方面。本文在理论分析、数值计算、粒子模拟和实验研究四个方面就强流相对论带状电子束的产生和传输问题开展了深入的研究工作,得到了如下主要研究结果。
 1、结构优化方面,提出了准矩形横截面带状电子束结构,其中,准矩形横截面由一个大横纵比的矩形和位于该矩形两侧的两个半椭圆形构成。该类型电子束的厚度相对均匀,这使其在横截面大横纵比时比椭圆形横截面电子束更易于产生,比矩形横截面电子束更易于在周期磁场中传输,使带状电子束更适于强流相对论的应用场合。另外,还提出了四磁铁边聚焦结构的优化方法,即通过调整四磁铁结构内各永磁块的旋转角,使四磁铁结构激励的边聚焦场更加适于准矩形横截面带状电子束的聚焦。
 2、理论上,首次推导和数值计算了平板波纹波导内强流相对论带状电子束的空间电荷极限电流,这可为带状电子束的参数选择提供参考依据。提出利用表面电流带模型和双层磁荷面模型对周期会切永磁铁开展等效研究,用于提高周期会切永磁铁的优化效率和计算精度。同时与前人不同,采用待定系数法对周期会切磁场进行解析近似,并得到了平面周期会切永磁铁激励磁场分布的简明解析表达式,这一结果为周期会切永磁场中电子运动的分析提供了理论基础。
 3、粒子模拟方面,利用束匹配的方法对相互独立的周期会切永磁铁和可旋转边聚焦永磁铁分别进行了设计,并利用粒子模拟的方法对其聚焦效果进行了验证。结果表明,“束发射”的、300keV、3kA准矩形横截面带状电子束可以在周期为10.0mm的0.15T会切磁场和0 .009T边聚焦磁场中稳定传输,沿轴向经300.0mm传输后,电流传输效率大于98%。在此基础上,将束发射类型改为“爆炸发射”,并添加峰值为0.4T的有限长跑道型螺线管磁场,再次进行了粒子模拟。结果表明,300keV、3kA带状电子束在沿轴向经200.0mm传输后,电流传输效率大于90%。
 4、实验上,在峰值0.5T、半高宽50.0mm的跑道型螺线管磁场约束下产生了能量约325keV、电流约2.6kA的带状电子束,其横截面电流密度分布较均匀。在同一跑道型螺线管磁场的约束下,将带状电子束入射到120.0mm长矩形波导内,在10周期(周期为10.0mm)的0.12T周期会切永磁场和100.0mm长、0.009T四磁铁边聚焦磁场组合聚焦下传输,电流传输效率大于80%。带状电子束传输较好,其横截面上电流密度分布比较均匀。
 这些结果表明, http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter 将带状电子束的想法引入到强流相对论领域的思路是正确的。同时表明,利用冷阴极爆炸发射可以产生电流密度比较均匀的强流相对论带状电子束,利用周期会切磁铁聚焦强流相对论带状电子束是可行的。这些重要的工作为强流相对论带状电子束高功率微波源的研究和设计打下了坚实的基础。
学位年度:2010