无箔二极管中环形束流特性的研究.pdf

第十届高功率粒子束学术交流会议文集 无箔二极管中环形束流特性研究 张永鹏1，2 (I．清华大学工程物理幕．北京1000¨}2西北核技术研究所．西安710024) 摘要t通过理论分析和FIC粒子模拟的方法，对无箔二极管中环形束流电子的定性行为和柬流IoV特性进行了研究．分 析环形束流电子的定性行为得出，环形束流的品质特性主要由束流电子的快速回旋运动决定，快速回旋运动的速度决定了柬漉 电子横向速度的大小。快速回旋运动的径向位移决定了束流电子的径向位移大小．研究得出的I-v特性公式，包含了阳极腔区 参数对束流强度的影响，给出的结果与数值模拟结果相对误差小于10％．并依据研究结果提出了通过优化阳极腔区参数来提高 束流品质和准确预测输出束流强度的建议． 关键词：无箔二极管，环形电子柬，PIC粒子模拟，I．v特性 在高功率强流脉冲电子源系统中，是利用一个真空二极管把提供给它的高压脉冲功率转换为有用粒子束 的。无箔二极管是其中应用比较广泛的强流束电子=极管之一。它不仅避免了阳极箔变形、损坏以及蒸发等 问题，还具有可重复性好、束流质量高等优点，有利于重复运行技术和长脉冲的发展。 无箔二极管，最早于20世纪70年代被提出并实现。在随后的三十年里，许多学者在理论分析方面对其 开展了深入而广泛的研究工作…1“，使得无箔二极管理论获得了很大的发展．但是由于无箔二极管内部的物 理过程相当复杂，其束流特性很难描述清楚，输出束流强度很难给出精确的解析解。本文通过理论分析和PIC 粒子模拟的方法对无箔二极管中环形束流电子的定性行为进行了研究，分析了影响柬流品质的主要因素及其 之间的影响关系，并通过数值模拟研究归纳了无箔二极管的柬流／-y特性关系公式，可以应用于无箔二极管 的设计实践。 l环形束流电子定性行为分析 无箔二极管中环形束流电子的横向运动包含自身围绕引导中心的快速回旋运动(艺，吒)和引导中心的横 向慢速运动(露，露)·由于I《I《l露l，因此电子的横向速度主要由快速回旋运动决定。 1．I环形柬流电子的快速回旋运动特性 快速回旋运动的方程为m (1) 屯2舞乏(-瓴灯c)耳(乏)一吒×反+吒×(亏·Vc)磊(乏)) 这里假设环形电子柬在外加恒定的轴向引导磁场届的作用下以恒定的轴向速率v0稳定传输，在传输方向上无 限长并且具有旋转对称性，其中V。=t昙，％=0一谣／c2)-1，2． 芘=焘(咖警㈤号(枷驴oao)‘2丽‘‘(吒荸(‘)一言(‘))+ 对于环形电子束。束流电子引导中心处的径向电场和角向磁场分别为 E=一兰鱼ji三竽，岛=一z鱼警 (3) 其中‘为环形束流的内径-～为环形束流的电子数密度。再引入电子绕轴向引导磁场晶巳的回旋频率 ·229· 第十届高功率粒子束学术交流会议文集 n：堕，以及等离子癫率nk=ie2no1)om。Eo)m，并把(3)式代入(2)式得 Yo％ 吒一线一露ro=0 其中《=象(1+f／e)求解。斌可以得出电子围绕弓I神。快速回旋运动的横向运动轨迹为 (5) 其中一，B为常数，与束流电子的初始状态有关。对上式进行时间求导得 (6) 其中吐；Q+√j孑二瓦虿，也=Q一√；啊。 在无箔二极管中-假设电子发射就已完成加速过程具有一定的初始横向速度，且以后不再受到外加电压 场的作用，那么环形束流电子快速回旋运动的初始状态可以近似认为‘(f=0)=一吮，这里吃为电子运动的 带入得