利用活性浸渍物质提高热阴极电流密度的实验研究和理论模型

通过发展新的活性物质成分系统及其制备方法以提升钪系阴极的电子发射性能,是当今热阴极特别是大电流密度阴极领域的研究重点。该文提出一种由多元金属氧化物构成的新型高活性浸渍物质,显著提升了钪在阴极中的添加比例,大幅提高了阴极的发射电流密度。将冷冻干燥法应用到该活性物质前驱体的制备过程中,有效解决了传统固相合成方法在机械式破碎、研磨和混合等工序中存在的不可控、不均匀等问题。采用了新的成分系统与新的制备方法制得活性物质的阴极,在真空二极管测试和电子枪测试中分别取得了超过500 A/cm^(2)和218.5 A/cm^(2)的脉冲发射电流密度。在二极管直流测试条件下,阴极的寿命测试进行了10500 h后仍未出现发射电流下降的现象;而在电子枪中的大工作比(5%)脉冲测试条件下,阴极在工作了2010 h后仍维持了超过50 A/cm^(2)的较大发射电流密度。借助深紫外—光/热发射电子显微镜(DUV-PEEM/TEEM)分析发现,相较传统的钪系阴极,新制备的大电流密度阴极表面的热电子发射位点数量增加,微区发射面积显著增大。最后,提出一种“二叉树”发射模型,以期阐释钪系阴极采用新活性物质后获得高发射特性的物理机制。

高阶体模准光模式激励器的设计与实验

基于开放式谐振腔及准光学模式变换理论,设计并实现了一种应用于回旋管振荡器冷测的高阶模式激励器。以140 GHz、TE_(28,8)模工作为例,通过计算机编程控制三维移动测量平台和网络分析仪完成了相应的实验测量。当模拟仿真获得在谐振腔激起频率为140.179 GHz、Q值为855、输出场分布与TE_(28,8)模的相关性为90.9%时,对应设计构建模式激励器完成的冷测结果频率为140.155 GHz、Q值为876、横向电场明显具有TE_(28,8)的特征,为回旋管振荡器研究和设计过程检验提供了一个有效的实验平台。

大功率速调管收集极高效强迫风冷散热系统的设计

为解决大功率小型化速调管收集极在强迫风冷条件下的高效散热问题,以某大功率速调管为研究对象,介绍了一种大功率高效风冷收集极系统的设计方法。利用ANSYS有限元软件对收集极的强迫风冷散热特性进行模拟计算,分析比较了非均匀热流密度加载方式下不同散热翼片结构对风冷收集极的风阻和最高温度的影响,确定了散热翼片的尺寸和数量。为进一步提高风冷收集极系统的对流换热效果,对收集极入风口的结构进行改进,收集极内表面最高温度降低了22℃。采用风冷收集极风阻的计算模型对风阻进行验证,仿真结果与理论值相差2.2%。最后对采用该风冷收集极系统的大功率速调管进行测试,实验测试的最高温度与仿真结果相差1.8%,验证了该风冷收集极系统设计的合理性和有效性。

基于新型多间隙谐振腔的W波段高次模式扩展互作用速调管设计

提出了一种工作在TM_(310)模式下的用于高次模式速调管的新型谐振腔。通过对侧腔电场的离散化,可以有效地增强中间腔和侧腔的电场。当两腔均工作在TM_(310)模式时,新型谐振腔的特性阻抗均高于传统的哑铃型腔。对两种腔体进行了尺寸敏感性分析。在此基础上,设计了一个W频段的射频电路。当向射频电路注入45 mW的输入功率时,获得了52.4 dB的高增益和7.8 kW的峰值输出功率。互作用电路由25 kV、2 A的圆形电子注驱动。该互作用电路的电子效率和3-dB带宽分别为15.6%和120 MHz。

W波段连续波带状注扩展互作用速调管高频电路的设计

针对W波段速调管难以实现连续波高功率的问题,设计了一个工作在TM_(31)-2π模式的W波段连续波带状注扩展相互作用速调管(EIK)高频电路,该电路采用电压20 kV、电流0.65 A,2.5 mm×0.3 mm的带状电子注,高频系统采用五个哑铃型的五间隙谐振腔,输出系统采用对称输出波导。通过理论设计和高频结构参数优化,三维PIC仿真结果显示:在输入功率0.2 W的条件下,能够获得超过1200 W的输出功率,效率和增益分别为9.35%和37.8 dB。在高频参数敏感性和误差稳定性方面,对TM_(31)模式和TM_(11)模式进行了详细的对比分析。

P波段高效率多注速调管的设计与计算

为了减少大科学装置的能耗和运行成本,高能粒子加速器对微波功率源的效率提出了更高的要求。本文介绍了新设计的P波段0.9 MW多注速调管的研究进展。为了在较短的互作用长度下获得更高的效率,该速调管采用新电子注群聚方法-CSM。此P波段速调管采用6个电子注,电子注电压为62 kV,电子注总电流为18 A,阴极负载小于0.5 A/cm^(2)。该速调管高频互作用系统包括7个谐振腔,其中包括一个二次谐波腔和一个三次谐波腔。仿真计算表明其输出功率可达0.9 MW,效率为80.6%,增益为40.6 dB,互作用长度为133 cm。文章给出了该多注速调管的设计模型和仿真结果,为今后设计高效率多注速调管提供了参考和借鉴。

辐射型加热磁控注入电子枪温度均匀性和热形变分析

基于140 GHz兆瓦级回旋振荡器电子枪设计和研制,利用ANSYS热分析软件,建立相应的磁控注入电子枪模型,分析电子枪工作时阴极温度均匀性及热形变,尝试通过相关几何和电参数的调整,在改善阴极温度均匀性的基础上,尽可能消除热形变对电子轨迹质量的影响。通过对比相同加热功率下阴极发射带的实测温度及仿真温度,评价了仿真模型及结果的合理性,为阴极组件的实际设计提供了参考数据。

平面超材料对曲折线慢波结构行波管效率改善和杂模抑制的影响

针对U型曲折线慢波结构带状注行波管杂模抑制和互作用效率提高等面临的挑战,提出了一种开口菱形超材料结构。在综合考虑电路单元谐振性能、与U型曲折线慢波结构之间的协调配合以及电路实现可行性和结构简单等因素,通过电路设计和数值模拟优化等具体措施相结合,探讨这种超材料对增强注波互作用表面电场和抑制电路振荡的效果。在Ka波段优化的结果表明,这种超材料在抑制杂波和改善注波互作用效率方面效果明显,对此类行波管稳定性提高具有重要意义。

基于粒子群算法的LCLC谐振变换器优化设计

LCLC谐振变换器广泛应用在空间行波管放大器(TWTA)中,起到升压的作用。在LCLC谐振变换器中,具有多个谐振参数,即变压器漏感、串联谐振电容、励磁电感以及并联谐振电容。多个谐振参数增加了LCLC谐振变换器总损耗优化的难度。该文提出一种基于粒子群优化算法的LCLC谐振变换器优化设计方法,解决LCLC谐振变换器由于多个谐振参数造成的总损耗优化困难的问题。首先,推导了LCLC谐振变换器的总损耗公式;其次,采用粒子群优化算法,对LCLC谐振变换器的总损耗进行了优化,得到了总损耗最小时的谐振变换器参数;最后,基于优化的LCLC谐振变换器参数,搭建了LCLC谐振变换器,并进行了一系列实验。实验结果证明了该优化设计方法的有效性。

平面结构磁控注入回旋电子枪的模拟设计

根据绝热压缩理论和动量守恒关系设计了W波段平面结构双阳极磁控注入回旋电子枪。利用软件EGUN对该电子枪进行了仿真模拟,分析了双阳极间距、调制阳极电压和阴极倾角等因素对电子注性能的影响,利用Opera电磁仿真软件设计了一个工作电压为34 kV,工作电流1.7 A,电子注的横纵速度比1.16,横向速度零散3.5%的平面结构双阳极磁控注入带状注回旋电子枪。该枪的电子束流具有垂直和平行于磁场的能量,最终为适应平面格栅金属放大器并产生具有一定横向速度的电子束流。

插拔式单晶LaB_(6)阴极制备与应用

插拔式单晶LaB_(6)阴极是我国电子束类高端仪器及设备必需的关键元件和发展的主要瓶颈。本文围绕插拔式单晶LaB_(6),开展了单晶精密加工、高效加热、机械夹持等制备工艺研究,并对阴极的发射性能、静态寿命等进行了测试,还开展了阴极在多个领域的应用研究。研究结果表明,所制备的阴极在电子发射性能及工作寿命方面均达到与进口阴极相当的水平,可应用于增材制造、扫描电镜、高分辨率CT等领域。

太赫兹行波管非对称降压收集极设计

多级降压收集极是太赫兹行波管中回收废电子注的重要部件,对整管工作效率有重要影响.为提升整管工作效率,提出一种非轴对称结构的太赫兹频段行波管降压收集极的设计方案.通过研究注波互作用后的废电子注能量特性,设计了轴对称太赫兹频段行波管降压收集极结构,再采用非轴对称结构进行优化.三维粒子模拟计算结果显示,在考虑二次电子发射的情况下,采用三级轴对称降压收集极的太赫兹行波管,最佳回收效率为79.30%,粒子回流率为3.12%,整管工作效率为4.47%;而当采用三级非轴对称结构降压收集极时,太赫兹行波管的回收效率升至89.50%,粒子回流率降至0.53%,整管工作效率为8.38%.采用非对称结构设计的降压收集极可有效提高太赫兹行波管的整管工作效率.

S波段同轴耦合结构驻波加速管设计与仿真

随着术中放疗、FLASH放疗等医疗技术的发展,对医用电子直线加速器的技术要求更高,本文设计了一款适用于FLASH放疗的中高能S波段同轴耦合驻波加速管。其同轴耦合结构结合了边耦合结构稳定性高和传统轴耦合结构对称性好、易于加工装配等优势。该结构有利于设计外形尺寸更加紧凑的,易于维护和低成本的中高能加速管,适用于新一代中高能医疗加速器。通过CST仿真优化后的同轴耦合加速管整体Q值达到了17024,分路阻抗达到163 MΩ/m,整体性能优于轴耦合结构并十分接近边耦合结构。通过粒子动力学仿真,该加速管束流输出能量大于18 MeV、脉冲流强达到295 mA、俘获率为42%。

冷冻干燥法制取扩散阴极含钪活性物质

借助液相合成法中的冷冻干燥法,制备出了高发射扩散阴极所需的含钪多元金属氧化物活性物质,其中Ba与Sc的原子比接近2∶1。应用该活性物质的浸渍阴极,取得了超过500 A/cm;的二极管脉冲发射电流密度和218.5 A/cm;的电子枪脉冲发射电流密度。在二极管直流测试条件(950°C,10 A/cm;)下,阴极的寿命测试进行了10500 h后仍未出现发射电流下降的现象;而在电子枪中的大工作比(5%)脉冲测试条件下,阴极在工作了2010 h后仍维持了超过50 A/cm;的较大发射电流密度。冷冻干燥法有效解决了传统固相合成方法在机械式破碎、研磨和混合等工序中存在的原料混合不可控、成分分布不均匀等问题,能够缩短工艺流程、节约工艺设备,有着良好的生产推广价值。

S波段多注速调管电子枪设计

介绍了一种应用于S波段同轴腔高功率多注速调管的电子枪设计方案。该电子枪总电子注数目为40个(内层19个,外层21个),工作电压为60 kV,总电流为300 A(平均分配在40个电子注上),单注导流系数为0.51μP,总导流系数为20.4μP,设计的阴极电流发射密度小于12 A/cm^(2),电子枪内最大场强为16.6 kV/mm。为使系统小型化,采用周期反转永磁聚焦系统约束电子注,聚焦系统由四组磁钢形成三个磁场均匀区,三个均匀区的磁场逐级增大,最小磁场强度为0.11 T,最大磁场强度为0.12 T。采用三维计算软件对电子注静电轨迹、磁场分布及聚焦轨迹进行了计算和优化,设计的多注电子枪电子注通过率达到了100%。

P波段紧凑型多注速调管互作用模拟设计

质子加速器广泛应用于高能物理和肿瘤治疗领域,对作为其核心部件的低频段速调管的效率和尺寸有着较高的要求。为满足国内高性能质子加速器的需求,本文设计了一款小型化的P波段多注速调管。与传统单注速调管相比,多注速调管电压低、效率高、体积小。通过在群聚段引入高次谐波腔,可以进一步减小多注速调管的互作用长度,在实现小型化的同时达到高效率。本文介绍了714 MHz、2 MW的脉冲波速调管的初步仿真与计算。利用一维仿真软件和三维仿真软件优化设计,得到了74%的效率,增益为50 dB,互作用长度控制在1250 mm以内。