单晶LaB6热阴极直流发射特性实验研究和强流电子枪及加速管物理研究

摘要

大功率电子加速器是用电子束进行电厂烟气净化的源装置，要求稳定发射直流500mA，且适用于连续长时间运行。目前该装置的核心技术基本为俄罗斯、日本的公司所垄断。为掌握核心技术，打破国外垄断，有效解决工业烟气脱硫，我们就相关技术问题进行了专门研究。本文正是这个课题有关强流电子枪和强流加速管的一系列初步的理论和实验研究。 首先建立了试验装置，结合直流束高平均功率的特点，束流收集器采用水冷法拉第筒；进行了两轮实验，第一轮为获得LaB6热阴极直流发射特性数据，第二轮借助实验考查设计是否达到预期指标；第一轮实验详细研究了单晶LaB6热阴极的直流发射特性，获得了直流运行状态的发射特性数据(不同温度下的Ⅰ-Ⅴ特性曲线)，引入Longo公式，并用该公式解释实验数据，还观测了环境(真空度和杂质)对发射能力的影响，为枪设计及运行提供了实验依据。 详细介绍了为实现电子枪大电流长寿命的有关考虑，以及关键部件——加热结构——的设计，和其中需要注意的问题；为进行大电流实验，改造了真空试验台，减小管阻以增大抽速；数值计算研究了枪形结构对导流系数和束发射度的影响，结果表明采用阴极聚束鼻锥结构可以有效抑止空间电荷力、降低束流发射度的增长；数值计算和物理分析指导了枪形结构设计，为正式枪定型提供了参考；基于发射特性实验数据，设计一把模型枪，实验结果表明加热效率和发射能力达到设计要求。 论文详细介绍了高压加速器设计方面的问题，电极结构，电极材料，绝缘环及其材料选择；数值计算研究了加速管尺寸对场分布的影响，为加速管设计提供了参考；首次明确提出了法兰连接处对聚焦的影响；从束流参数的要求出发，提出了采用阴极聚束鼻锥结构和提高阳极引出电压，以确保束流发射和改善聚焦；最后对束流动力学进行了模拟计算，计算结果表明所选参数适中，基本达到了设计要求，可以满足束流传输要求以及与后续系统的配合。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2强流电子枪和加速管涉及的关键技术

1.3本论文主要研究内容

第二章单晶LaB6阴极及其直流发射特性研究

2.1热电子发射现象

2.2热电子发射材料

2.2.1纯金属阴极

2.2.2原子薄膜阴极

2.2.3氧化物阴极

2.2.4储备式阴极

2.2.5硼化物阴极

2.3 LaB6阴极

2.3.1 LaB6阴极的特性

2.3.2 LaB6阴极的研究状况

2.4实际运行状态下的热阴极发射理论

2.4.1实际运行状态下的热发射公式

2.4.2理论基础简介

2.5单晶LaB6热阴极的直流发射特性研究

2.5.1电子枪结构和实验布局

2.5.2温度特性测量

2.5.3发射特性测量

2.5.4阴极工作环境对发射的影响

2.6本章结论

第三章单晶LaB6热阴极直流、强流电子枪物理与实验研究

3.1电子枪发展简介

3.2直流、强流电子枪的现状及关键技术

3.3电子枪设计

3.3.1选择电子枪的方法

3.3.2电子枪特性设计

3.3.3热子设计

3.4束流引出理论

3.4.1空间电荷限制流

3.4.2源限制电流

3.4.3电子束引出系统

3.5数值模拟

3.5.1关于EGUN程序

3.5.2阴极聚焦鼻锥

3.5.3电极结构设计

3.6阴极发射及其加热结构的热稳定性考验

3.7小结

第四章强流、高压加速管物理研究

4.1高压加速管

4.1.1高压加速机构

4.1.2对加速管的要求

4.1.3加速电极

4.1.4加速管物理尺寸

4.2加速管尺寸对场分布的影响

4.2.1场分布

4.2.2 Poisson程序

4.2.3物理模型

4.2.4电极内孔径大小对场分布的影响

4.3高压加速管光学

4.3.1傍轴电子运动(轨迹)方程

4.3.2轴上电位分布

4.4加速管束流动力学模拟计算

4.4.1需要明确的一个条件——阴极面场强

4.4.2电子运动方程与变梯度

4.4.3束包络计算

4.4.4电子轨迹计算

4.4.5束流动力学计算

4.5小结

第五章结语

致谢

参考文献