强流相对论性径向带状电子束产生与传输中的物理问题研究

The intense relativistic electron beam (IREB), or high power electron beam, has a broad application in the high performance X-ray telegraph, free electron laser, coherent microwave radiation and etc. The conventional axial electron beam is highly restricting the development of modern high power microwave devices for its small power capacity, low beam wave interaction efficiency and ets. In order to meet the development need of the high power microwave device, it is necessary to develop new electron beam technologies and ways. The radial electron beam has several advantages, such as low voltage, large current, weake space charge effect and large beam section, which are very conducive to rising the output power and efficiency and realizing the miniature of the device. This project is focusing on the production and transmission of the intense relativistic radial sheet electron beam, including analyzing the physical problems in there processes, building the production theory of the relativistic coaxial diode without foil and the transmission theory, providing the focusing theory and realizing the stable transmission. The particle in cell (PIC) method would be used to check revise the theories. Base on the above work, the experiment would be carried out to check and modify the production and transmission theories of the intense radial electron beam.

强流相对论性电子束又称为高功率电子束，在高能闪光X射线照相、自由电子激光、相干微波辐射源等许多领域有着重要的科研价值和广泛的应用前景。传统的轴向电子束由于功率容量小、互作用效率低和聚焦系统复杂等不足，严重制约了现代高功率微波器件的发展。要满足高功率器件的发展需求，必须探索新的电子束技术和手段，走创新之路。径向电子束是一种具有低电压、大电流、弱空间电荷力的电子束，同时具有大的横向互作用面积，非常有利于提高器件的功率、效率，并有助于实现器件的小型化。本项目将从同轴无箔二极管出发，分析强流相对论性径向带状电子束产生和传输过程中的物理问题，包括：建立强流相对论性径向带状电子束的发射理论和空间电荷限制流模型，并建立束流传输的自洽理论；开展强流相对论性径向带状电子束的磁聚焦理论的研究，实现束流的稳定传输，并采用粒子模拟的手段进行验证；最后进行产生和传输的实验研究，进一步对理论和模拟过程进行修正。

强流相对论性径向电子束的产生与传输是径向电子束微波源研究中需要首先解决的问题，而对于该问题的研究和报导相对较少。本项目对产生径向电子束的同轴无箔二极管和聚焦径向束流传输的引导磁场系统进行了设计，并就径向电子束产生与传输中的相关问题开展了研究。主要研究内容包括了：（1）对径向电子束的产生进行了研究。设计了一种产生径向电子束的同轴无箔二极管结构，对二极管的I-V关系、阻抗特性和发射电流特性进行了仿真分析和数值计算；进一步分析了二极管阻抗和束流偏移幅值的关系。（2）对径向线内电子束的空间极限电流进行了研究。得到了空间电荷限制流的解析表达式；给出了径向线结构和束流参数对空间电荷限制流和空间电荷场的影响规律。（3）对浸没式聚焦径向电子束进行了研究。分析了螺线盘产生磁场的空间分布特性；建立了浸没式聚焦径向电子束的传输模型，并给出了所需引导磁场强度和二极管阻抗的关系，并设计了一种螺线盘和永磁体混合聚焦的引导磁场系统。（4）对非浸没式聚焦径向电子束进行了研究：设计了一种带聚焦电极的同轴无箔二极管，理论分析了非浸没式聚焦径向电子束的束流传输特性，仿真研究了非浸没式聚焦径向电子束的传输过程；数值分析了有限长阴极杆电流产生磁场的分布规律，给出了阴极杆长度对非浸没式聚焦径向电子束的影响规律；最后理论分析了径向周期磁场聚焦径向电子束的基本原理。.项目共计发表论文9篇，其中期刊论文7篇，会议论文2篇。培养博士2名，硕士2名。