本文關(guān)鍵詞：場(chǎng)致發(fā)射陰極微波電子槍模擬與實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：低增益自由電子激光要求電子束同時(shí)具有較高的亮度和較高的平均流強(qiáng),金屬光陰極微波電子槍受限于重復(fù)頻率,平均流強(qiáng)較低,而熱陰極微波電子槍雖然具有較高的平均流強(qiáng),但由于電子反轟的影響,束間能散較大。在這樣的背景下,我們開展了基于場(chǎng)致發(fā)射陰極的微波電子槍的研究,利用微波場(chǎng)的高加速梯度保證電子束的品質(zhì),利用場(chǎng)致發(fā)射陰極的連續(xù)發(fā)射保證較高的平均流強(qiáng)。理論上,我們研究了場(chǎng)致發(fā)射電流在微波場(chǎng)微脈沖和宏脈沖內(nèi)的分布規(guī)律,分析了建場(chǎng)過程中電流波形的變化,得到了場(chǎng)致發(fā)射的均方根寬度與電流波形的關(guān)系。對(duì)于平面的均勻發(fā)射的陰極,推導(dǎo)了場(chǎng)致發(fā)射電子束的熱發(fā)射度公式,并采用數(shù)值積分的方法,研究了熱發(fā)射度與陰極表面溫度和電場(chǎng)的關(guān)系。針對(duì)場(chǎng)致發(fā)射特殊的相位分布,對(duì)單頻加速結(jié)構(gòu)和混頻加速結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬研究。對(duì)于單頻槍,通過優(yōu)化槍長能夠獲得較低發(fā)射度的電子束,通過增加腔間漂移段能夠獲得線性的縱向分布。對(duì)于混頻槍,研究了場(chǎng)致發(fā)射的相位和寬度與混頻參數(shù)的關(guān)系。束流動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明,采用TM030模混頻時(shí),倍頻場(chǎng)引起的射頻效應(yīng)較小,從而能夠獲得較低發(fā)射度、較低能散的電子束。在此基礎(chǔ)上提出了僅在首腔中引入TM030模的混頻加速方式,既能充分利用混頻的優(yōu)勢(shì),又能盡量減少倍頻場(chǎng)的射頻效應(yīng)。另外,針對(duì)場(chǎng)致發(fā)射過程中的焦耳熱效應(yīng),初步建立了碳納米管陰極的一維熱傳導(dǎo)模型,利用該模型研究了碳納米管的閾值電流密度與碳納米管的尺寸和襯底的物理參數(shù)之間的關(guān)系。盡管該模型包含諸多假設(shè)條件,但是它給出的變化規(guī)律對(duì)陰極的制備和實(shí)驗(yàn)具有一定的參考作用。實(shí)驗(yàn)上,搭建了一個(gè)基于S波段微波電子槍的測(cè)量平臺(tái),并對(duì)金剛石薄膜樣品和碳納米管薄膜樣品的場(chǎng)致發(fā)射性能進(jìn)行了測(cè)量。對(duì)于金剛石薄膜,在25MV/m的電場(chǎng)下,獲得了大小約5.5m A、均方根寬度約21度的平均電流。對(duì)于碳納米管薄膜,在13MV/m的電場(chǎng)下,獲得了大小約72m A、均方根寬度約16度的平均電流。對(duì)碳納米管薄膜的熱效應(yīng)分析表明,電流來自于場(chǎng)致發(fā)射;束斑測(cè)量結(jié)果表明其橫向均勻性較好;多次測(cè)量和連續(xù)測(cè)量表明其穩(wěn)定性較好。
【關(guān)鍵詞】：場(chǎng)致發(fā)射陰極微波電子槍 混頻加速 焦耳熱效應(yīng) 碳納米管薄膜
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN12
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 主要符號(hào)對(duì)照表9-10
• 第1章 緒論10-25
• 1.1 自由電子激光對(duì)電子束的要求11-14
• 1.1.1 描述電子束的參數(shù)11-13
• 1.1.2 低增益FEL的增益因子13-14
• 1.2 微波電子槍分類和比較14-17
• 1.2.1 光陰極微波電子槍15
• 1.2.2 熱陰極微波電子槍15-17
• 1.3 場(chǎng)致發(fā)射陰極研究現(xiàn)狀17-22
• 1.3.1 場(chǎng)致發(fā)射陰極介紹18-20
• 1.3.2 場(chǎng)致發(fā)射陰極電子槍研究現(xiàn)狀20-22
• 1.4 論文工作的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)22-25
• 1.4.1 論文工作的主要內(nèi)容22-23
• 1.4.2 論文工作的創(chuàng)新點(diǎn)23-25
• 第2章 微波場(chǎng)中的場(chǎng)致發(fā)射理論25-43
• 2.1 Fowler-Nordheim方程25-27
• 2.2 微波場(chǎng)中的場(chǎng)致發(fā)射27-32
• 2.2.1 場(chǎng)致發(fā)射電流密度分布28-29
• 2.2.2 與其他陰極的比較29-30
• 2.2.3 平均發(fā)射電流30-31
• 2.2.4 電場(chǎng)波動(dòng)對(duì)場(chǎng)致發(fā)射的影響31-32
• 2.3 建場(chǎng)過程中的場(chǎng)致發(fā)射32-34
• 2.3.1 電流波形隨時(shí)間的變化32-33
• 2.3.2 由電流波形確定場(chǎng)致發(fā)射寬度33-34
• 2.4 場(chǎng)致發(fā)射電子束的熱發(fā)射度34-41
• 2.4.1 陰極均勻發(fā)射時(shí)的熱發(fā)射度35-37
• 2.4.2 與其他陰極的比較37-38
• 2.4.3 熱發(fā)射度與工作條件的關(guān)系38-40
• 2.4.4 蒙特卡羅方法模擬場(chǎng)致發(fā)射過程40-41
• 2.5 小結(jié)41-43
• 第3章 場(chǎng)致發(fā)射陰極微波電子槍模擬研究43-69
• 3.1 單頻微波加速結(jié)構(gòu)模擬研究44-53
• 3.1.1 縱向運(yùn)動(dòng)方程44-46
• 3.1.2 電子反轟46-47
• 3.1.3 發(fā)射度和能散優(yōu)化47-48
• 3.1.4 縱向分布優(yōu)化48-53
• 3.2 混頻微波電子槍模擬研究53-66
• 3.2.1 混頻加速腔的應(yīng)用53-55
• 3.2.2 混頻場(chǎng)中的場(chǎng)致發(fā)射55-59
• 3.2.3 混頻1.5cell微波電子槍59-63
• 3.2.4 僅首腔混頻的1.5cell微波電子槍63-66
• 3.3 單頻電子槍和混頻電子槍比較66-67
• 3.4 小結(jié)67-69
• 第4章 碳納米管陰極熱效應(yīng)模擬研究69-81
• 4.1 數(shù)值模型69-74
• 4.1.1 一維熱傳導(dǎo)方程70-71
• 4.1.2 邊界條件71-72
• 4.1.3 接觸點(diǎn)的簡化處理72-73
• 4.1.4 幾何尺寸與物理參數(shù)73-74
• 4.2 直流場(chǎng)中的熱效應(yīng)模擬74-77
• 4.2.1 閾值電流密度與碳納米管尺寸的關(guān)系75-76
• 4.2.2 閾值電流密度與襯底參數(shù)的關(guān)系76-77
• 4.2.3 閾值電流密度的適用范圍77
• 4.3 微波場(chǎng)中的熱效應(yīng)模擬77-79
• 4.4 小結(jié)79-81
• 第5章 微波場(chǎng)中場(chǎng)致發(fā)射初步實(shí)驗(yàn)研究81-98
• 5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)81-86
• 5.1.1 微波電子槍81-85
• 5.1.2 螺線管線圈85-86
• 5.2 金剛石薄膜在微波場(chǎng)中的場(chǎng)致發(fā)射初步實(shí)驗(yàn)86-89
• 5.2.1 電流波形及場(chǎng)致發(fā)射特性擬合86-88
• 5.2.2 能譜測(cè)量88-89
• 5.2.3 束斑測(cè)量89
• 5.3 碳納米管薄膜在微波場(chǎng)中的場(chǎng)致發(fā)射初步實(shí)驗(yàn)89-96
• 5.3.1 電流波形及場(chǎng)致發(fā)射特性擬合91-92
• 5.3.2 熱效應(yīng)分析92-93
• 5.3.3 能譜測(cè)量93-94
• 5.3.4 束斑和發(fā)射度測(cè)量94-96
• 5.3.5 穩(wěn)定性分析96
• 5.4 小結(jié)96-98
• 第6章 結(jié)論98-100
• 參考文獻(xiàn)100-106
• 致謝106-108
• 個(gè)人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果108-109

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前6條

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本文編號(hào)：687169