箔聚焦径向强流相对论电子束的研究

摘要

用导电箔引导强流相对论电子束的传输无需外加引导磁场，无功耗、结构简单，造价低廉、且可以最大限度的减小高功率微波器件的体积和重量，此方法已经成功的运用于引导轴向强流相对论电子束。本文将这一方法应用到径向高功率器件中用于引导径向强流相对论电子束的传输，主要微绕着径向漂移空间可以通过多大流强、如何选择合适的参数来实现箔引导径向强流相对论电子束进行了相关的理论研究和探讨。 首先根据强流相对论电子束在漂移空间中的传输特点，做出一些适当的简化和假设，给出了合理的研究物理模型；利用迭代方法数值求解模型中漂移空间内束电子所满足的自洽方程，得到了三维有限尺寸漂移空间中束自洽电势分布；证明了迭代的收敛性和结果的正确性。 在此基础上给出了一种计算漂移空间空间电荷限制流的方法，计算了径向漂移空间的空间电荷限制流；绘制了相关径向漂移空间中束流流强和束电子最小动能的分布图：给出了结合束电子初始能量和忽略电子传输过程中速度变化时空间的最大势能来判断径向漂移空间空间电荷限制流范围的依据。并且对于任意正交坐标系、任意漂移空间，只要知道束流的形状(任何的形状都适用)且束流满足相应的计算电场的假设，都可用所给算法求解其束流的自洽电势、电场，以及推广求空间电荷限制。 基于对漂移空间中径向相对论电子束的电场和磁场分布的计算，推导了箔引导径向相对论电子束所需的平衡条件，讨论了其平衡的稳定性所需的条件；计算了束边缘电子的轨迹及相关的运动参数，结合平衡条件和边缘电子的轨迹及运动参数给出了径向器件中设置引导箔的理论依据。 当束流流强较小时，束电子速度的变化可以忽略时，速度变化对电子密度分布的变化也可以忽略，本文推导了在此情况下忽略电子速度变化时径向漂移空间束自洽电场的解析分布；给出了相应的平衡条件、计算了其束边缘电子的轨迹；并给出了可忽电子速度变化的径向束流流强分布范围。利用此解析公式不仅可以清楚的反应相关物理规律，且可以大大节约计算时间和计算机资源。

目录

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英文文摘

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第一章绪论

1.1常用计算空间电荷限制流的方法

1.2常用的束流聚焦的方法

1.2.1均匀磁场聚焦

1.2.2周期永磁体聚焦

1.2.3等离子体聚焦

1.2.4静电聚焦

1.3聚焦方式的选择

1.4本论文的主要研究内容

第二章径向漂移空间电子束的电场分布及其空间电荷限制流

2.1研究的物理模型及基本假设

2.2漂移空间中强流相对论电子束自洽电场分布

2.2.1计算束电势分布的数值方法

2.2.2迭代的收敛性证明

2.2.3数值计算的算法

2.2.4计算实例及收敛特性

2.2.5算法的误差分析及其稳定性

2.3径向漂移空间空间电荷限制流的计算

2.4电场的分布

2.5小结

第三章束流自磁场的计算

3.1径向面分布电流的磁场

3.1.1极轴夹角为θ的半无限大线电流对极轴上方点产生的磁场

3.1.2径向半无限大面电流在P点产生的磁场

3.2径向体分布电流的磁场

第四章箔聚焦径向强流相对论电子束的平衡条件及束边缘电子轨迹

4.1平衡条件

4.2平衡的稳定性

4.3束边缘电子的轨迹

4.4小结

第五章忽略电子速度变化时箔聚焦径向相对论电子束的研究

5.1忽略电子速度变化时径向束流电场分布

5.2平衡条件及其稳定性

5.3束边缘电子的轨迹及相关参数

5.4可以忽略电子速度变化的流强界限

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文