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带状电子注在Wiggler磁场中的传输特性研究

王同波  
【摘要】: 二十世纪八十年代末以来,随着电子对抗、卫星通信、深空探测、高分辨雷达、遥感遥测、精确制导、加速器等对高功率毫米波器件的迫切需求,人们就迫切需要寻求一种大电流的电子注源,而带状电子注就是其中最为重要的一种。从微波管到自由电子激光器和等离子体化学反应堆,带状电子注对于许多行业来说是必不可少的。带状电子注毫米波器件得到如此广泛的研究是由于带状电子注具有一系列的优点。它可以以非常小的横向尺寸来传输大的电流,因而可以使毫米波器件产生高功率;它可以大大降低空间电荷效应,从而降低对聚焦系统的要求;同时由于高频率的微波器件,波长短,因而要求慢波结构或腔体截面减少。环形电子注受到空间电荷力的限制无法减少,而带状电子注器件能在毫米波波段工作;带状电子注能和慢波结构更紧密的结合,距离更近,这样带状电子注微波管就有更高的效率。 尽管带状电子注微波管有这么多的优点,然而在过去50年的研究中却是环形和圆柱形微波管占据主流。这是因为带状电子注不容易聚焦,若是不聚焦,则空间电荷力会导致电子注发散,若是采用螺线管聚焦,则在传输过程中容易产生Diocotron不稳定性。本文先从空间电荷波理论出发,推导出半无限电子注会在表面形成波动。然后,假设带状电子注可以分成多层的带状注,最后推导出Diocotron不稳定性的形成理论。 为了使电子注不产生Diocotron不稳定性,参考圆柱形微波管用PPM聚焦,而假设用带状电子注的平板微波管也可以模仿PPM聚焦,即用周期Wiggler磁场聚焦。考虑了带状电子注的空间电荷力和由发射度引起的发散力,用Wiggler磁场实现了自然聚焦,即单平面聚焦。得出电子注的运动包络方程、带状电子注不产生Diocotron不稳定性的条件,理论上分析了带状Wiggler磁场能够聚焦带状电子注。 利用三维粒子模拟程序,假设z=(?)_0t(也就是说知道电子速度(?)_0的情况下,t时刻就是位置在z的电子注的截面),对带状电子注在螺线管磁场下进行了二维和三维粒子模拟,研究了Diocotron不稳定性,并观测了各个参数对Diocotron不稳定性的影响。 利用三维粒子模拟程序,模拟了在相对论和非相对论条件下,Wiggler磁场聚焦带状电子注的情况。模拟结果表明,利用Wiggler磁场能够聚焦带状电子注,抑制其Diocotron不稳定性,且Wiggler磁场参数对聚焦性能有一定的影响。文中详细地研究了Wiggler磁场的磁场强度和周期大小对聚焦性能影响,并验证了理论分析的结果。


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