强流相对论环形电子束发射特性及研究.pdfVIP

强流相对论环形电子束的发射特性研究 袁欢1’2黄华2刘振邦2何琥2 1．中国工程物理研究院研究生部 2．中国工程物理研究院应用电子学研究所高功率微波技术重点实验室 四川 绵阳 621900 摘要：介绍了用于高功率相对论速调管放大器的强流相对论二极管的物理和模拟设计，以及通过模拟研 究的方法分析了影响环形电子束发射均匀度的因素，重点通过模拟结果分析和阐述了产生环形电子束流 发射密度不均匀的原因以及消除束流发射不均匀的方法。利用PIC模拟方法从对改变不同的二极管阴极 参数，包括阴极大小，阴极厚度等，发射得到的环形电子束的束流密度分布均匀度进行了模拟分析和研 究，得到了这些参数对二极管发射环形电子束的束流均匀度的影响，通过对场强分布的分析，得出阴极 表面场强的分布与电子束的发射有着直接的关系。 关键字：强流二极管；强流相对论电子束；粒子模拟；束流均匀性： 二极管作为真空电子器件的重要组成部分，它的技术研究进展将在很大程度上决定真空电子器件尤 其是高功率微波器件的发展进程，其产生的强流相对论电子束的质量是一个重要的参数，不仅决定了整 个微波器件的寿命，还直接决定了速调管中的束一波转换效率以及微波输出功率，目前得到的强流环形 电子束遇到的主要问题在于电子束的发射不均u’2’引。因此，本文主要讨论影DR--极管发射电子束的束流 不均匀的因素。造成这个因素的主要原因是由于在整个环形电子束的发射过程中，由于阴极的形状，阴 极厚度等因素，使得阴极表面的场强分布并不是均匀的，场强的不均匀性就决定了阴极不同部位发射电 子束的顺序和强度不一致，使得一部分区域由于场强高发射电子束强烈，另一部分由于电场强度较弱， 发射电子相对较迟，较少。本文就是以用于高功率相对论速调管放大器的强流相对论二极管为基础，使 用MAGIC PIC模拟的方法，对阴极发射电子束的过程和不同形状的阴极发射环形电子束的均匀度进行研 究和分析。 1．电子的发射的物理及模拟原理 1．1爆炸电子发射物理原理 阴极爆炸发射在许多高电压(300kY)大电流(lkA)电子束驱动源系统中被广泛应用，是目前唯-II 提供几错误l未找到引用源。的发射方式，其具有简单、易用、需要较少辅助设备的优点n，4|。所有阴 极的表面都几乎存在着微观的表面凸起，被称作晶须。在二级管工作的初期，当二极管阴阳极间加上强 纵向脉冲电压时，在阴极表面微突起处会产生强的电场，冷阴极表面的晶须尖端的场强比外加的宏观电 场高数百倍，所以电子流主要是通过阴极表面上的晶须发射出去，并由此在晶须尖端产生了相当可观的 场致发射旧’3|。场致发射使得晶须尖端的温度升高。由于晶须的有效发射面积很小，所以当晶须尖端的 微观电场远超过临界值时，流过晶须尖端的电流密度将会大大超过临界电流，晶须尖端将被加热到材料 的熔点并蒸发进入到尖端附近的区域，阴极材料的蒸汽由于电子的碰撞电离，产生大量的离子，使得空 间电荷中和，使发射的电流密度迅速增大，进一步增加了阴极材料的蒸发怛’3’5’6|。 当外加电场增大至使微观电场超过临界值时，尖端发生爆炸并且在几纳秒的时间内形成阴极光斑。 局部阴极光斑形成后，由于其流体力学膨胀，以每一阴极亮斑为中心，阴极光斑迅速的膨胀扩展，形成 局部的光斑的合并，同时激发形成新的阴极光斑，这时电子的发射面积快速增长，最后形成一个覆盖了 整个阴极表面的等离子体。在阴极表面的等离子层形成以后，在等离子体内因为德拜场的作用，电子从 冷阴极表面继续发射到等离子体层，有效的电子发射面积急剧增加，而这时继续向阳极漂移的阴极等离 子体就成为电子发射源。从阴极等离子体表面发射的电流密度受到两极间隙中的空间电荷的限制，状态 由柴尔德一朗格缪尔公式描述¨’…。 1．2MAGIC PIC电子发射模拟简介 在本文所使用的模拟方法中很大的忽略了等离子体形成的细节，由于阴极表面等离子体场的变化和 电子的发射遵从柴尔德定律∞。，因此在模拟中只对电子束发射的过程进行了近似描述。在本模拟方法的 处理过程中，发射只会在作用在半网格上的场超过了发射阂值时发生。电子发射过程中会在阴极的每一 个表面单元连续不断的发射电子。如果场在某一个单元超过了阈值，阴极表面就发生爆炸发射，之后， 每一个单元独立的处理。一旦这种变化开始，单元中的等离子体变化是不可逆的。不过这个变化不是立 刻变得全部有效，等离子形成是慢慢的发生的，而这个时间是可以通过参数来设置的，本文中默认的形 成速率是5ns，并且是按照线性变化的。除此之外