微波微脉冲电子枪的研究与设计

发布时间：2020-05-28 23:25

【摘要】：利用二次电子倍增在微波腔内的谐振放大来研制而成的微脉冲电子枪，由于其阴阳极材料的倍增特性，使得在电子枪后不需要再接入预聚束器和聚束器，从阳极出来得到的就是微脉冲结构，从而大大简化了加速器系统。另外，这种电子枪不需要复杂的激光激发装置，结构简单，能产生强电流、短脉冲、低能散等束流品质。由于微脉冲电子枪的上述特点，使得对它的研究变得很有实际意义，而研究这种类型的电子枪正是本论文的中心。选择二次电子倍增的理论研究作为微脉冲电子枪的研究重点，是博士论文的创新点之一。基于这个背景，此论文首先回顾了二次电子倍增理论研究的关键点和历史进程。我们分别研究了在双平板和微脉冲电子枪中的二次电子倍增现象，，这两者的差别主要在于电磁场。在微脉冲电子枪的正交电磁场条件下，本论文也给出了二次电子倍增的物理特性，比如共振条件和相位聚焦机制。在此基础上，我们给出了一个全新的二次电子倍增模型。这个模型把multipacting的模式整合成三部分，并对三部分分别进行了研究，找到了提高束流品质的一种有效方法。根据微脉冲电子枪的理论研究，本论文给出了微波参数和腔体结构的优化设计。微波参数以数值计算和软件模拟相结合的方式得以确定，以便提高参数的实用价值。在结构设计部分，主要归纳为两个创新点：（1）双边皮尔斯结构；（2）双栅网结构。双边皮尔斯聚焦结构设计主要是为了避免电子在腔壁上引起雪崩效应。位于腔壁上的二次电子倍增效应既吸引微波功率，同时也对腔体表面造成损坏。第二点是双栅网结构的设计。由于增大电子在腔内的倍增次数，能把大部分处于”bad phase”的电子踢出倍增范围，使得饱和阶段输出的电子相位限制在一个很小的范围之内，这也是微脉冲电子枪的一大特色。而双栅网结构正是利用这个特性来提高达到饱和所需要的时间，也就是提高电子在腔内的倍增次数。本论文也给出了微脉冲电子枪在工程设计与工艺方法，还详细给出了微波测量方法以及实验结果。由于电子枪的结构参数在理论计算时就给出了，所以工程设计主要是针对调谐、扼流结构、阴阳极可更换性做的设计。微波测量主要是在测试平台上进行频率、Q值、耦合度等的测量，然后根据测量结果做了焊前尺寸修改。在微波测量阶段发现了耦合度过低的问题，为了解决这个问题，此次采用在电子枪馈入波导后接入的直波导内加入销钉来提高耦合度。高功率实验也是本次电子枪研究的内容。在上海深紫外线装置的坑道内搭建了一个高功率平台，它包含了功分器、水冷系统、真空系统、束流测量装置等系统。通过速调管馈入微波功率，束测装置得到了微脉冲电子枪输出的高功率实验数据。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL503.3

【参考文献】