场致发射阴极微波电子枪模拟与实验研究

发布时间：2017-08-17 05:00

  本文关键词：场致发射阴极微波电子枪模拟与实验研究

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【摘要】：低增益自由电子激光要求电子束同时具有较高的亮度和较高的平均流强,金属光阴极微波电子枪受限于重复频率,平均流强较低,而热阴极微波电子枪虽然具有较高的平均流强,但由于电子反轰的影响,束间能散较大。在这样的背景下,我们开展了基于场致发射阴极的微波电子枪的研究,利用微波场的高加速梯度保证电子束的品质,利用场致发射阴极的连续发射保证较高的平均流强。理论上,我们研究了场致发射电流在微波场微脉冲和宏脉冲内的分布规律,分析了建场过程中电流波形的变化,得到了场致发射的均方根宽度与电流波形的关系。对于平面的均匀发射的阴极,推导了场致发射电子束的热发射度公式,并采用数值积分的方法,研究了热发射度与阴极表面温度和电场的关系。针对场致发射特殊的相位分布,对单频加速结构和混频加速结构进行了模拟研究。对于单频枪,通过优化枪长能够获得较低发射度的电子束,通过增加腔间漂移段能够获得线性的纵向分布。对于混频枪,研究了场致发射的相位和宽度与混频参数的关系。束流动力学计算表明,采用TM030模混频时,倍频场引起的射频效应较小,从而能够获得较低发射度、较低能散的电子束。在此基础上提出了仅在首腔中引入TM030模的混频加速方式,既能充分利用混频的优势,又能尽量减少倍频场的射频效应。另外,针对场致发射过程中的焦耳热效应,初步建立了碳纳米管阴极的一维热传导模型,利用该模型研究了碳纳米管的阈值电流密度与碳纳米管的尺寸和衬底的物理参数之间的关系。尽管该模型包含诸多假设条件,但是它给出的变化规律对阴极的制备和实验具有一定的参考作用。实验上,搭建了一个基于S波段微波电子枪的测量平台,并对金刚石薄膜样品和碳纳米管薄膜样品的场致发射性能进行了测量。对于金刚石薄膜,在25MV/m的电场下,获得了大小约5.5m A、均方根宽度约21度的平均电流。对于碳纳米管薄膜,在13MV/m的电场下,获得了大小约72m A、均方根宽度约16度的平均电流。对碳纳米管薄膜的热效应分析表明,电流来自于场致发射;束斑测量结果表明其横向均匀性较好;多次测量和连续测量表明其稳定性较好。
【关键词】：场致发射阴极微波电子枪 混频加速 焦耳热效应 碳纳米管薄膜
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN12
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 主要符号对照表9-10
• 第1章 绪论10-25
• 1.1 自由电子激光对电子束的要求11-14
• 1.1.1 描述电子束的参数11-13
• 1.1.2 低增益FEL的增益因子13-14
• 1.2 微波电子枪分类和比较14-17
• 1.2.1 光阴极微波电子枪15
• 1.2.2 热阴极微波电子枪15-17
• 1.3 场致发射阴极研究现状17-22
• 1.3.1 场致发射阴极介绍18-20
• 1.3.2 场致发射阴极电子枪研究现状20-22
• 1.4 论文工作的主要内容和创新点22-25
• 1.4.1 论文工作的主要内容22-23
• 1.4.2 论文工作的创新点23-25
• 第2章 微波场中的场致发射理论25-43
• 2.1 Fowler-Nordheim方程25-27
• 2.2 微波场中的场致发射27-32
• 2.2.1 场致发射电流密度分布28-29
• 2.2.2 与其他阴极的比较29-30
• 2.2.3 平均发射电流30-31
• 2.2.4 电场波动对场致发射的影响31-32
• 2.3 建场过程中的场致发射32-34
• 2.3.1 电流波形随时间的变化32-33
• 2.3.2 由电流波形确定场致发射宽度33-34
• 2.4 场致发射电子束的热发射度34-41
• 2.4.1 阴极均匀发射时的热发射度35-37
• 2.4.2 与其他阴极的比较37-38
• 2.4.3 热发射度与工作条件的关系38-40
• 2.4.4 蒙特卡罗方法模拟场致发射过程40-41
• 2.5 小结41-43
• 第3章 场致发射阴极微波电子枪模拟研究43-69
• 3.1 单频微波加速结构模拟研究44-53
• 3.1.1 纵向运动方程44-46
• 3.1.2 电子反轰46-47
• 3.1.3 发射度和能散优化47-48
• 3.1.4 纵向分布优化48-53
• 3.2 混频微波电子枪模拟研究53-66
• 3.2.1 混频加速腔的应用53-55
• 3.2.2 混频场中的场致发射55-59
• 3.2.3 混频1.5cell微波电子枪59-63
• 3.2.4 仅首腔混频的1.5cell微波电子枪63-66
• 3.3 单频电子枪和混频电子枪比较66-67
• 3.4 小结67-69
• 第4章 碳纳米管阴极热效应模拟研究69-81
• 4.1 数值模型69-74
• 4.1.1 一维热传导方程70-71
• 4.1.2 边界条件71-72
• 4.1.3 接触点的简化处理72-73
• 4.1.4 几何尺寸与物理参数73-74
• 4.2 直流场中的热效应模拟74-77
• 4.2.1 阈值电流密度与碳纳米管尺寸的关系75-76
• 4.2.2 阈值电流密度与衬底参数的关系76-77
• 4.2.3 阈值电流密度的适用范围77
• 4.3 微波场中的热效应模拟77-79
• 4.4 小结79-81
• 第5章 微波场中场致发射初步实验研究81-98
• 5.1 实验平台81-86
• 5.1.1 微波电子枪81-85
• 5.1.2 螺线管线圈85-86
• 5.2 金刚石薄膜在微波场中的场致发射初步实验86-89
• 5.2.1 电流波形及场致发射特性拟合86-88
• 5.2.2 能谱测量88-89
• 5.2.3 束斑测量89
• 5.3 碳纳米管薄膜在微波场中的场致发射初步实验89-96
• 5.3.1 电流波形及场致发射特性拟合91-92
• 5.3.2 热效应分析92-93
• 5.3.3 能谱测量93-94
• 5.3.4 束斑和发射度测量94-96
• 5.3.5 稳定性分析96
• 5.4 小结96-98
• 第6章 结论98-100
• 参考文献100-106
• 致谢106-108
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果108-109

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 柏伟;黎明;沈旭明;陈亚男;王汉斌;单李军;陈天才;;低反轰热阴极微波电子枪初步实验[J];强激光与粒子束;2011年10期

2 陈森玉;王书鸿;朱雄伟;;Towards one machine, two purposes: using a common SC linac for XFEL and ERL simultaneously[J];中国物理C;2010年01期

3 柏伟;黎明;杨兴繁;沈旭明;;低反轰多腔热阴极微波电子枪物理设计[J];强激光与粒子束;2009年10期

4 唐传祥,林郁正,童德春,吴元明,王友智,赵新桥,谢家麟;用于BFEL的多腔热阴极微波电子枪的设计研究[J];高能物理与核物理;1997年04期

5 许州，，胡克松，刘锡三，黄孙仁;热阴极微波电子枪的电子反轰现象[J];强激光与粒子束;1996年03期

6 赵振堂，林郁正，王宏源;混频＋m腔微波电子枪束流动力学特性[J];高能物理与核物理;1994年07期

本文编号：687169