强流相对论多注电子束产生的关键技术研究

The Relativistic Klystron Amplifier(RKA) driven by Intense Relativistic Multi-Electron Beams(IRMEBs) has many opportunities, such as high output power, high beam-wave conversion efficiency, high operation frequency, be apt to suppress self-oscillation and low leading magnetic field. The RKA has been developed energetically in the research areas of High Power Microwave devices. However, it has encountered with bad qualities of IRMEBs and low injecting efficiency into drifting tube of HPM devices, and it lead to low total beam-wave conversion efficiency and unstable operation for the RKA driven by Intense Relativistic Multi-Electron Beams. In this item, the applicant will investigate the structure, materials of multi-beam cathode and its explosion emission process driven by high electric field and the inject process into drifting tube of the IRMEBs by the physical method combined with PIC simulation and experiment. The applicant will explore the main factors which led to the bad qualities of IRMEBs and low injecting efficiency, and some effective resolving measures will be put forward which will be tested y the experiment. This item will promote the total beam-wave conversion efficiency and its stable operation for the RKA driven by the Intense Relativistic Multi-Electron Beams.

基于强流相对论多注电子束技术的相对论速调管放大器(RKA)具有高功率、高效率、高频运行、易于抑制自激振荡和需要引导磁场强度较低等优点，该器件在高功率微波(HPM)器件研究中得到大力发展，但研究中遇到了强流相对论多注电子束产生品质差、引入器件漂移管的效率低等严重问题，直接导致了器件整管束波互作用效率和工作稳定性显著降低等后果。本项目拟采用物理结合模拟和实验诊断分析的手段，开展强流相对论多注阴极的结构、材料及其在高压场强下爆炸发射强流多注电子束的物理发展过程以及在引导磁场作用下进入漂移管的物理过程进行研究，找到影响强流多注电子束发射品质和引入效率的主要因素，提出相应的解决措施，为提高强流多注RKA的整管效率和工作稳定性提供重要的基础。

为了探索强流相对论多注电子束的产生机理以及引入多注漂移管器件的物理规律，解决强流多注电子束高效率引入的技术问题，项目组采用理论、仿真模拟和实验相结合的方法，对多注二极管的静态场分布、强流相对论多注电子束的发射过程和特点及其在引导磁场作用下进入漂移管以及在漂移管中传输的畸变和旋转漂移过程进行了全面研究，找到了影响电子束高效率引入和均匀发射的主要因素，并开展了优化设计、实验诊断测试和在高功率微波器件中的应用研究，建立了可多分幅快速观测强流阴极爆炸发射过程的光学诊断平台。.研究结果表明，阴极杆侧面及其底座的电场引起的电子发射、以及多注电子束在二极管区引导磁场作用下的旋转漂移是造成多注电子束的引入和传输效率低下的主要原因问题，为此提出了增大阳极筒、大的多注阴极头与小的阴极头支撑杆的同轴结构或者偏心结构、并加上阴极底座及阳极入口位形的优化设计，模拟实现了800kV/8.2kA（电子束功率约6.5GW）、共20注的强流多注电子束引入效率达到99%，实验实现了电压720kV、束流8.5kA(电子束功率6.1GW)、20注、脉宽155ns的电子束引入效率达到92%，并用该电子束驱动X波段多注相对论速调管放大器，辐射输出微波功率达到2.2GW、微波脉宽120ns，整管束波转换效率33%，保证了器件高功率高效率运行。.本项目的研究方法、研究结论对研究其他类型的强流阴极以及电子束的高效率引入研究具有重要的指导意义，研究结果在强流多注高功率微波器件的二极管设计和实验研究中具有重要的应用前景。