12MeV+LIA二极管结构优化设计.pdfVIP

12MeV LIA．二极管结构优化设计 禹海军石垒水李勤何国荣马冰王景生 冲国工程物理研兜院藏体物理研究所．四川绵阳9I蚶箱．621900) 祝太军 (成都电子科技大学，成都．610(153) 擒要：本文用数值模拟方法对设计的多种二极臂结构进行理论计算，给出二极管阴极表面 电场强度分布，并根据实验研究结果，得到了最佳设计的二极管结构。 关■词：直线感应加速器=极管，结构设计，束流参数 1弓l言 强流直线感应加速器(LIA)能够产生高能量的、数千安培的高亮度电子束，被广泛地 应用于自由电子激光、高功率微波的产生、粒子束聚变等多种研究。中国工程物理研究院流 LIA曾被应用于上述几方面的研究，取得了一系列的成果。随着 体物理研究所建造的12MeV 2MeV 研究内容的不断加深与扩展，需要进一步提高I L1A整机的性能(如电子束流和束亮 度)，这就要求对LIA机的注入器、脉冲功率系统、柬输运系统等进行改进和提高，其中的注 LIA整机的性能，首先需要提高 入器部分是为LIA提供初始电子柬源的装置，要提高12MeV 注入器部分电子束流的品质；电子柬流来自于注人器的二极管(电子束源)，它包括含有天 鹅绒发射体的阴极和带钨网的阳极。 国内外的研究都表明。阴极发射体——天鹅绒和阳极钨网以及二板管阴阳极位形设计都 对由二极管内产生的束流大小与束流品质有较大影响。 对于强流、相对论性电子柬流的性能高低可主要表现在电子束亮度8n-2I膳，其中肋电 子束流流强，E为电子束的归一化发射度；提高束亮度的途径有两种，一种是提高电子柬束 流，，一种是减小归一化发射度s。由于大幅度提高电子束流需要增大阴极发射体面积或提高 阴、阳极间电压，而在目前情况下，提高二极管问电压受到限制，增大阴极发射体面积会导 致注人器部分负载增加．并同时间接导致阳极钨网寿命下降等．因此我们采用通过减小电子 束初始发射度来提高电子束的初始束亮度。电子束初始束亮度与阴极面发射体上电场强度分 布的均匀性有直接关系，发射面场强分布越均匀．初始电子束发散角越小，初始电子束发射 度就越小，因而初始束亮度就越高。 我们利用MAGIC程序来对不同二极管结构位形的阴极发射体上场强分布进行计算与比 较，来得到阴极发射面场强相对均匀而发射电场强度适中的不同二极管模型，并且通过对这 些模型的实验研究，最后得到—个实验结果最佳的二极管结构。 2理论模拟计算 采用在二维空间中模拟等离子体物理过程的有限差分时域粒子模拟程序MAGIC程序来进 行计算。 模拟空间任一点的电磁场l由Maxwell方程组解得i 第—届高能电子学学术交口E会会议文集 v×五：一塑 矾 v×霄：歹+塑 Ot D=s·E B=nH 另外，用完整的洛仑兹力方程可解得相对论带电粒子的轨迹，即： ，， 寻、 一 皇掣：口偿+矿×蚕) 珊 一 4 其中m曲粒子静止质量。9为粒子带电量，，为相对论因子。 我们设计了多种二极管的阴、阳极结构，通过模拟计算．可以得到不同二极管结构中阴 极发射面上的电场强度分布：表1给出了十种模型上阴极发射区域的