CN109872933B

CN109872933B - 一种减小电子束径向振荡相位差的方法

Info

Publication number: CN109872933B
Application number: CN201910080324.3A
Authority: CN
Inventors: 张广帅; 孙钧; 吴平; 宋志敏; 范志强; 曹亦兵
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2039-01-28
Also published as: CN109872933A

Abstract

本发明属于高功率微波技术领域，公开了一种减小电子束径向振荡相位差的方法，该方法立足于提高冷阴极爆炸发射电子初始相位的一致性，部分解决低引导磁场条件下爆炸发射电子速度离散引起的径向振荡问题。所述减小电子束径向振荡相位差的方法可以通过在冷阴极爆炸发射表面附近区域加载非均匀磁场加以实现。非均匀磁场的加载可以调整冷阴极表面附近的引导磁场位形，提高发射电子出射方向和运动路径的一致性，进而抑制电子之间由于速度离散引起的径向剧烈振荡。将该技术应用于低引导磁场高功率微波产生器件研制中，能够改进爆炸发射电子束的束流品质，提高高功率微波产生器的工作效率和可靠性。

Description

一种减小电子束径向振荡相位差的方法

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，涉及一种无箔二极管中减小电子束径向振荡相位差的方法。

背景技术

高功率微波源是利用强流相对论电子束产生高功率微波辐射的重要装置，有着光明的应用前景。目前，高功率微波源所需要的强流相对论电子束主要由冷阴极在高压脉冲驱动下爆炸发射形成等离子体产生。冷阴极产生的电子束束流品质直接决定了高功率微波源的工作效率和可靠性，是当前高功率微波技术研究的重要方向。特别是随着高功率微波源技术朝着低引导磁场方向发展，强流相对论电子束传输过程将存在不同程度的径向振荡，研究电子束径向振荡的相关抑制方法显得尤为重要和迫切。

漂移管中稳定传输电子的轨迹在横向截面内的投影为圆周运动，定义电子径向运动峰值位置为π/2相位，谷值位置为-π/2相位。冷阴极爆炸发射产生的电子初始状态通常具有很大的随机性，其从冷阴极表面出射后的方向既有沿径向向外的，也有沿径向向内的，不同的电子轨迹不同，感受到的电磁场也有所差别，使得不同电子径向振荡产生相位差，表现为不同电子径向振荡的峰值所在轴向位置不同，图1给出了初始径向振荡相位相差180°的两种典型电子的运动径迹。由于不同初始径向振荡相位的电子必然经历不同的加速路径，获得不同的速度(包括大小和方向)，因而这些电子的集体效应将导致低引导磁场条件下强流相对论电子束产生较大的径向振荡T_e，引起束流品质下降，严重影响了高功率微波源的工作效率和可靠性。

目前，国内外关于电子径向振荡相位差带来的电子束径向振荡问题尚无相关报道，主要研究结果还聚焦在对低引导磁场条件下电子束传输特性的研究方面，主流观点也认为引起电子束径向振荡的主要因素是无箔二极管中的静电场和静磁场分布。如国防科技大学杨建华等人的研究认为(杨建华,张亚洲,舒挺等.强流相对论环形电子束在低磁场中传输分析[J].强激光与粒子束,2005,17(3):100124322.)，无箔二极管中径向电场力是电子束产生径向振荡的重要因素；清华大学张永鹏通过对不同引导磁场强度下的束流传输特性研究认为(张永鹏.20GW无箔二极管的数值模拟研究与设计[D].清华大学,2004.)，增大引导磁场可有效减小电子快速回旋运动的半径，从而使电子径向振荡明显减小。这些研究基础可以部分为改进无箔二极管中的强流相对论电子束传输提供技术指导，但难以有效减小低引导磁场条件下的电子束径向振荡问题。

综上所述，当前对低引导磁场条件下的电子束径向振荡产生根源还存在认识不足，进而限制了相关抑制方法的提出，难以为低引导磁场高功率微波产生器件的优化设计提供具体有效的技术支持。

发明内容

本发明的目的在于为冷阴极爆炸发射产生的电子之间提供一种减小径向振荡相位差的方法，从而大幅降低低引导磁场条件下的电子束径向振荡，为低磁场高功率微波产生器件的发展提供技术支持。

为了达到上述发明目的具体技术方案如下：

一种减小电子束径向振荡相位差的方法，在冷阴极爆炸发射表面附近区域加载非均匀磁场，该非均匀磁场位于电子束的初始加速区域，磁场强度适当且轴向逐渐减小，形成沿径向向外的磁场分量，所加载非均匀磁场将局部改变引导磁场方向，提高爆炸发射电子出射方向的一致性，从而减小电子间径向振荡相位差。

进一步的，所述非均匀磁场沿空间呈近似正弦分布，在所在加载区域为半个正弦周期。

进一步的，所述非均匀磁场的加载具体包括如下步骤：

步骤1、利用粒子模拟软件建立无箔二极管冷阴极爆炸发射模型，确定二极管工作电压、冷阴极发射束流以及原引导磁场B₀；

步骤2、粒子模拟中，在冷阴极发射表面附近加载一类正弦非均匀磁场B₁，加载区域轴向长度d≤0.25L，其中，L为无箔二极管阴阳极间距；以减小电子束径向振荡幅度为目标，确定参数d；

步骤3、步骤2确定参数d后，在5％≤B₁/B₀≤10％范围内，以减小电子束径向振荡幅度为目标，确定非均匀磁场B₁的幅度。

本发明的有益效果是：

1、利用所述减小电子束径向振荡相位差的方法，可以提高无箔二极管中冷阴极爆炸发射电子出射方向和运动路径的一致性，提高无箔二极管中冷阴极爆炸发射电子束的束流品质，大幅减小低引导磁场条件下电子束的径向振荡幅度。

2、将该技术应用于低引导磁场高功率微波产生器件研制中，能够提高高功率微波产生器的工作效率和可靠性。

附图说明

图1未采用本发明技术路线的电子束径向振荡示意图；

图2本发明减小电子束径向振荡相位差的方法；

图3(a)本发明非均匀磁场加载前的粒子模拟效果图；

图3(b)本发明非均匀磁场加载后的粒子模拟图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明减小电子径向振荡相位差的方法做详细描述。

本发明的一种减小电子束径向振荡相位差的方法示意图如图2所示。在无箔二极管中冷阴极表面附近长度为d的区域，非均匀磁场B₁的加载使得原本沿轴向的原引导磁场B₀在该区域产生沿径向的磁场分量。当外加高压电脉冲驱动冷阴极爆炸发射产生电子时，在磁场的约束作用下，电子将沿着磁力线加速通过长度为L的二极管间隙。由于冷阴极表面附近存在沿径向向外的磁场分量，爆炸发射产生的电子初始速度v_e也将集中产生径向向外的速度分量。在此情形下，所有电子初始出射方向的一致性大大增加，这就意味着电子束径向振荡的相位差别大大减小。由于在后续二极管电场加速过程中，所有电子经历的加速路径大致相同，电子进入漂移管时的速度离散程度也将减小，所有电子集中效应产生的径向振荡将得到有效抑制。

在相关参数选取方法上，非均匀磁场最大幅度B₁与原引导磁场B₀满足关系：5％≤B₁/B₀≤10％，非均匀磁场加载区域轴向长度d满足：d≤0.25L(L为无箔二极管阴阳极间距)。进一步，为使非均匀磁场幅度B₁和加载区域轴向长度d的选取达到最佳效果，需要建立无箔二极管粒子模拟模型，以电子束径向振荡幅度尽可能减小为优化目标，通过粒子模拟方法先确定加载区域轴向长度d，然后确定非均匀磁场幅度B₁。

本发明的一种减小电子束径向振荡相位差的实施例效果通过粒子模拟方法实现，效果如图3所示，二极管工作电压600kV，束流7kA，阴阳极间距L＝61mm，引导磁场强度B₀＝0.8T，所加载非均匀磁场自冷阴极发射端面开始为半个正弦周期，长度d＝8mm，最大幅度B₁＝0.04T。对比非均匀磁场加载前后的图3(a)和(b)可以看出，加载非均匀磁场后的电子束初始出射方向的一致性大幅提升，这就意味着爆炸发射电子间的初始相位差大大减小，其所带来的有益效果就是将电子束径向振荡幅度由2.9mm减小到1.8mm，减幅接近38％。

Claims

1.一种减小电子径向振荡相位差的方法，其特征在于：在冷阴极爆炸发射表面附近区域加载非均匀磁场，该非均匀磁场位于电子束的初始加速区域，磁场强度沿轴向逐渐减小，形成沿径向向外的磁场分量，所加载非均匀磁场将局部改变引导磁场方向，提高爆炸发射电子出射方向的一致性，从而减小电子间径向振荡相位差；

所述非均匀磁场的加载具体包括如下步骤：

步骤1、利用粒子模拟软件建立无箔二极管冷阴极爆炸发射模型，确定二极管工作电压、冷阴极发射束流以及原引导磁场B ₀；

步骤2、粒子模拟中，在冷阴极发射表面附近加载一类正弦非均匀磁场B ₁，加载区域轴向长度d≤0.25L，其中，L为无箔二极管阴阳极间距；以减小电子束径向振荡幅度为目标，确定参数d；

步骤3、步骤2确定参数d后，在5%≤B ₁/B ₀≤10%范围内，以减小电子束径向振荡幅度为目标，确定非均匀磁场B ₁的幅度；

所述非均匀磁场沿空间呈近似正弦分布，在所在加载区域为半个正弦周期。