带状电子束传输及聚焦方法的研究

摘要

随着雷达、卫星通信等技术的迅速发展，迫切需要新型的高功率和高频率的毫米波器件的出现。通过研究发现带状电子束行波管能够满足这样的需求，而这需要一种能够承载大电流的电子束源，带状电子束就是其中最重要的一种。从微波管到自由电子激光器和等离子体化学反应堆，带状电子束对很多领域而言都是不可或缺的。带状电子束之所以得到广泛的应用主要是因为带状束有以下优点：首先，它可以用非常小的横向尺寸来传输大电流，因而可以使毫米波器件产生高功率；其次，他能大大降低空间电荷效应，从而降低对聚焦磁场峰值的要求；同时，高频率条件下器件尺寸应该不断减小，带状电子束能和平面慢波结构结合得更加紧密，大大减小器件尺寸，从而使微波管的效率得到大大提高。 尽管带状电子束微波管有这么多的优点，但是过去的几十年中带状束的研究一度中断。这主要是因为带状束聚焦一直是个难题，如果采用螺旋管磁场聚焦，则在传输过程中会产生Diocotron不稳定现象。尽管带状电子束对聚焦磁场峰值的要求有所降低，但是它对聚焦方式的要求却很高。所以带状电子束的稳定传输成为该类型行波管的关键技术之一。 本文主要对椭圆带状电子束的传输稳定性和聚焦方法进行分析。椭圆带状电子束与矩形带状电子束相比较能够承载更大的电流，空间电荷电荷效应也更弱。但是，椭圆带状电子束对聚焦方式的要求更加苛刻。 我们首先讨论了带状束Diocotron形成理论，推导了椭圆带状电子束空间电荷场。并利用二维粒子模拟软件观察到了矩形和椭圆带状束Diocotron模。 针对椭圆截面，利用PIC粒子模拟软件分别研究了电子束各个参数对电子束Diocotron不稳定性的影响。 分别从Wiggler和PCM磁场结构；电子在两种结构磁场中传输；半无限椭圆带状电子束单平面聚焦；以及电子束自在两种结构中传输稳定性条件进行对比讨论。在综合考虑空间电荷力、聚焦力和发射度情况，对两种结构下，对椭圆电子束各个传输面上稳定性进行分析。并采用三维粒子模拟软件验证理论分析的正确性。 因为Wiggler磁场和PCM磁场不能从根本上抑制椭圆带状束的Diocotron模。为此我们提出了种变形的PCM结构，并详细推导讨论了该结构磁场，通过理论分析发现椭圆带状电子束在该结构中能实现稳定的传输。采用三维粒子模拟软件验证理论结果，发现偏置结构的PCM磁场能够抑制椭圆带状电子束Diocotron模，实现长距离稳定传输。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1行波管的发展概况

1.2带状电子束微波管的研究概况

1.3本论文的主要工作

第二章 带状电子束传输不稳定性理论分析和模拟研究

2.1引言

2.2带状电子束传输不稳定性理论分析

2.3椭圆带状电子束空间电荷场分析

2.4带状电子束传输不稳定性的二维模拟结果和分析

2.4.1矩形带状电子束Diocotron不稳定性粒子模拟

2.4.2椭圆带状电子束Diocotron不稳定性粒子模拟

2.5小结

第三章 椭圆带状电子束传输不稳定性粒子模拟

3.1引言

3.2相同参数下两种带状电子束不稳定性三维粒子模拟

3.3椭圆带状电子束束参数对传输不稳定性的影响

3.3.1改变轴向磁场峰值参数对传输不稳定性的影响

3.3.2改变电流密度参数对传输不稳定性的影响

3.3.3改变电压参数对传输不稳定性的影响

3.3.4改变椭圆长短轴尺寸对传输不稳定性的影响

3.4相对论椭圆带状电子束Diocotron不稳定性粒子模拟

3.5小结

第四章 Wiggler和PCM磁场聚焦带状电子束的比较研究

4.1引言

4.2 Wiggler和PCM聚焦磁场的理论分析

4.3 Wiggler和PCM磁场聚焦带状电子束的理论分析

4.3.1单电子在两种磁场结构中运动分析

4.3.2半无限带状电子束单平面聚焦分析

4.3.3两种结构磁场聚焦椭圆带状电子束数值分析

4.3.4 PCM磁场参数对椭圆带状束传输的影响

4.4小结

第五章 偏置型PCM磁场聚焦椭圆带状电子束研究

5.1引言

5.2偏置型PCM磁场结构的分析

5.3边缘磁场聚焦椭圆带状电子束稳定性的分析

5.4偏置PCM磁场聚焦椭圆带状电子束粒子模拟

5.5椭圆带状电子束在传输过程中的倾斜问题

5.6小结

第六章 结论及建议

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果