重复频率强流电子束二极管实验研究

采用静电场模拟对二极管结构及导引磁场位形分布进行了优化设计,利用设计的二极管在高压脉冲发生器上进行了重复频率运行实验研究,给出了相应测试波形,并对不同材料阴极、不同真空度情况下二极管的发射特性进行了比较。在二极管真空度满足一定要求(p<0.01Pa)条件下以在重复频率方式运行时,不论是石墨阴极还是金属阴极,输出电子束流都比较稳定。设计的二极管电子束电压超过500kV,电流约5kA,脉冲宽度40ns,重复频率100Hz。

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。

强流电子束无箔二极管结构设计与特性研究

主要叙述高功率二极管的理论模型和结构设计 ,采用基于引导磁场和相对论近似情况下的空间电荷限制流模型 ,对磁浸没无箔二极管产生的空心相对论电子束进行了动态数值模拟 ,研究了二极管几何结构及引导磁场对二极管束流特性的影响。

重复频率强流电子束的产生和传输实验研究

电子束真空二极管重复频率运行时,它将表现出与单次运行时不同的特点。在电子束产生过程中,屏蔽半径应尽可能地小,且击穿延时时间较短,故选择石墨作为阴极材料。实验结果表明:在重复频率运行时,当环型阴极环厚较薄时,阴极的发射电流密度较大,因此对阴极的加热效应也加强,等离子体的膨胀速度加快,从而使得二极管阻抗减小,最后几次输出的电子束的电流较大,而电压减小;当重复频率较高时,由于加热效应使得阴极等离子体膨胀速度加快,最后几个脉冲阴极发射能力增强,波形重复性变差;当引导磁场强度增大时,阴极等离子体受到较大的磁场力约束,横向膨胀速度减慢,从而使得电子发射面积减小,总发射电流减小,二极管的阻抗增大。最后取引导磁场为1. 5T,阴极环厚为1mm,得到重复频率100Hz、束压827kV、束流8. 22kA、脉冲波形之间重复性很好的均匀电子束输出。

强流电子束加速器运行过程电磁辐射的实验研究

强流电子束加速器运行时,临近的计算机和示波器会发生黑屏,这是由于在该过程中产生了较强的电磁辐射干扰。采用实验研究的方法,对实验室研制的强流电子束加速器产生的电磁辐射进行了测量和分析。结果表明:强流电子束加速器产生的电磁辐射主要来源于初级气体开关触发、初级气体开关导通以及气体主开关自击穿导通3个过程。其中,初级气体开关导通时辐射的电磁波强度较大,其强度最大处在与开关相同高度的位置。此外,强流电子束加速器在运行过程中的电磁辐射为低频辐射,主频为21MHz。

无箔二极管强流电子束空间密度分布初步研究

通过在强磁场条件下,利用环形刀口石墨阴极（刀口尺寸φ38～39 mm）开展电子束轰击收集极内表面铜箔和垂直轰击金属靶片实验,对无箔二极管中电子束的空间密度分布进行了初步研究,并对其产生原因进行了分析.研究结果表明,电子束径向分布在φ37.2～40.2 mm,存在密度较高区域（φ38.8～39.4 mm）和密度最大值点（φ39.2 mm）,且均偏向于阴极外侧.无箔二极管环形阴极爆炸发射产生电子束的径向密度分布可用偏态分布近似.

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1cm/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。

同轴型强流电子束二极管的一种解析近似

从描述电子束运动的基本方程出发,引入一定条件下的近似,获得了一种实用的同轴二极管电流、电压与几何参数关系的近似解析解.给出了同轴二极管阻抗、间隙电压分布与二极管外加电压以及结构参数之间的关系式,并与1维模型精确数值解进行比较分析.采用了PIC数值模拟方法对该理论分析结果在常用参数范围内的准确性进行了验证,获得了一致的结果.与相对论条件下的实验结果数据相比,在二极管电压为300～700 kV时实验结果与该理论估算值非常接近.

强流电子束束心横向运动调谐技术研究

介绍了为抑制“神龙一号”加速器束流束心螺旋运动而开展的强流电子束束心轨迹的调谐技术研究和实验结果。通过束质心轨迹校正调谐,使“神龙一号”输出束流脉冲50ns平顶部分螺旋模的振幅由大于4 mm减小到小于1 mm。同时介绍了调谐原理和方法,相关的数值模拟结果与实验结果的比较以及正在进行中的计算机智能调谐研究。

强流电子束入射叠靶能量沉积计算

计算了多脉冲相对论强流电子束入射钽-石墨叠靶的能量沉积和轫致辐射谱。能量沉积采用Geant4程序计算,轫致辐射谱根据基本的辐射理论和蒙特卡罗方法计算。结果显示,各层的热区能量沉积呈由大到小的递减分布,截面轫致辐射分布和电子束径向分布主要受钽层的影响。石墨层的低能量沉积率和高热容能改善叠靶的性能。对于单脉冲,钽-石墨层厚比为1∶1时,石墨能全部吸收相邻钽层的热沉积,轫致辐射效率为35.4%;4脉冲情况下,钽-石墨层厚比应为1∶13,总轫致辐射效率降到19.9%。考虑轫致辐射剂量和质量,钽-石墨两者的厚度比为1∶5时,钽层的总厚度应为1.2 mm;当钽-石墨层厚比为1∶10时,钽层的总厚应降到0.7 mm。

脉冲强流电子束的发射度测量

本文描述了利用多孔板测量脉冲强流电子束发射度的原理和方法。考虑了空间电荷和轴向磁场对测量的影响。实验参量是阴极形状、阳极网孔、二极管距离和电压、电流幅值。在直线感应加速器上、用天鹅绒平面阴极和腐蚀的钨网阳极,当束能为1.32MeV、束流为2kA时,测得均方根发射度ε_(rm)=79cm.mrad,相应规一化亮度B_n=4.8×10~3A/(cm.rad)~2。

CSR电子冷却系统强流电子束包络的振荡特性

HIRFL CSR的电子冷却系统是采用强流电子束对重离子束进行冷却。在冷却段漂移管区,由于强流电子束自身的空间电荷场和螺线管磁场的作用,使得电子束的包络发生振荡。通过求解电子束的横向包络方程,研究了强流电子束包络随电子束参数和螺线管聚焦磁场的变化关系。计算结果表明:对于不同的电子束能量和磁场,电子束包络的振荡频率也不相同;在相同的条件下,磁场越强,电子束包络振荡幅度越小,电子束能量越大,其包络的振荡频率也越快。

强流电子束二极管等离子体光学诊断

通过处理强流电子束加速器主开关导通之后所形成的高压电脉冲,得到了二极管等离子体光学诊断的同步时间基准。采用高压电脉冲延时结合二极管等离子体光信号延时的方案,实现了相机曝光过程与等离子体发光过程的ns级精度同步。综合采取屏蔽、滤波等措施,实现了整个系统的电磁兼容,最终稳定地拍摄到了ns时间分辨的二极管等离子体发光过程。

直线感应加速器中四极磁铁聚焦强流电子束研究

为获取小尺寸束斑,研究了直线感应加速器(LIA)产生的强流电子束在四极磁铁作用下的聚焦特性,并对限制最小束斑尺寸的因素进行了分析。结果表明,使用聚焦能力强、像差小的四极磁铁作为聚焦元件具有获取小尺寸束斑的潜力。使用数值模拟程序完成了四极磁铁聚焦束线的初步设计,并在直线感应加速器平台上开展了实验研究,获得了对称性较好、横向尺寸小于2 mm的X射线焦斑,验证了四极磁铁聚焦强流电子束获取小尺寸束斑的可行性。同时,提出了优化的四极磁铁聚焦束线设计方案,预期可在同样入射电子束条件下获得横向尺寸约1 mm的束斑。

切伦科夫辐射的强流电子束均匀性光学诊断

透明介质中带电粒子的运动速度大于介质中的光速时就会产生切伦科夫辐射光。搭建了基于切伦科夫辐射光的强流电子束均匀性诊断系统,实现了时间和空间分辨的纳秒级电子束均匀性光学诊断。利用程序对诊断系统进行设计。在此基础上对两种天鹅绒阴极发射均匀性进行光学诊断测量。结果表明:在相同电参数下,碳纤维天鹅绒较化纤天鹅绒具有更好的发射性能,与之对应的切伦科夫辐射光斑面积更大,其亮度扫描曲线不但中心增强区域较化纤天鹅绒宽,在其边缘附近也有较强的亮度分布;通过分析切伦科夫辐射光斑的分布和强弱的时间分辨图像,可以得到阴极在电脉冲过程中的运行状态,具有10ns^100ns级时间分辨特性。

强流电子束加速器中气体开关的电磁辐射等效模型

对触发开关和主开关产生电磁辐射的机理进行了详细的分析,将气体开关导电通道等效为电偶极子,理论分析了其辐射电磁波的空间分布,以同轴电缆为实验对象,研究了电磁辐射的干扰。实验测量了触发开关和主开关的电磁辐射信号,结果表明,运用偶极辐射等效可以很好地描述二者的辐射特性。在强流电子束加速器产生电磁辐射的时刻,同轴电缆中感应出了一定强度的电流,幅值达3V,已经足以对其他信号的准确测量产生影响。

强流电子束中ν/γ的物理意义

从Lawson和Humphries公式以及强流束中的储能导出ν/γ的表达式(ν为Budker参数,γ为相对论因子),对它的物理含义作了充分说明。可用它来表征强流束的总体性质,它代表了强流束的自场横向电磁能与轴向动能之比。

强流电子束入射角二维分布测量方法

电子束与靶物质相互作用时的入射角测量是强流电子束热-力学效应研究中的难点问题.提出了一种新的基于覆盖不同厚度衰减片微型法拉第筒阵列的电子束入射角测量方法,与现有方法相比,可获得具有时域特性和位置分布的强流电子束入射角分布.以此方法进行了入射角二维分布(r,θ)测量实验,结果表明,电子束入射角二维分布与束流箍缩情况紧密相关.如果箍缩不明显,则电子主要在自身做回旋运动的同时沿着电力线运动,多以垂直或者小角度(40?以下)轰击到阳极靶面;如果箍缩明显,受E×B漂移影响,电子束入射角度会明显变大,从40?以下增至60?左右.