本文關鍵詞：場致發(fā)射陰極微波電子槍模擬與實驗研究

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【摘要】：低增益自由電子激光要求電子束同時具有較高的亮度和較高的平均流強,金屬光陰極微波電子槍受限于重復頻率,平均流強較低,而熱陰極微波電子槍雖然具有較高的平均流強,但由于電子反轟的影響,束間能散較大。在這樣的背景下,我們開展了基于場致發(fā)射陰極的微波電子槍的研究,利用微波場的高加速梯度保證電子束的品質(zhì),利用場致發(fā)射陰極的連續(xù)發(fā)射保證較高的平均流強。理論上,我們研究了場致發(fā)射電流在微波場微脈沖和宏脈沖內(nèi)的分布規(guī)律,分析了建場過程中電流波形的變化,得到了場致發(fā)射的均方根寬度與電流波形的關系。對于平面的均勻發(fā)射的陰極,推導了場致發(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的關系。針對場致發(fā)射特殊的相位分布,對單頻加速結構和混頻加速結構進行了模擬研究。對于單頻槍,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。對于混頻槍,研究了場致發(fā)射的相位和寬度與混頻參數(shù)的關系。束流動力學計算表明,采用TM030�；祛l時,倍頻場引起的射頻效應較小,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,又能盡量減少倍頻場的射頻效應。另外,針對場致發(fā)射過程中的焦耳熱效應,初步建立了碳納米管陰極的一維熱傳導模型,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)之間的關系。盡管該模型包含諸多假設條件,但是它給出的變化規(guī)律對陰極的制備和實驗具有一定的參考作用。實驗上,搭建了一個基于S波段微波電子槍的測量平臺,并對金剛石薄膜樣品和碳納米管薄膜樣品的場致發(fā)射性能進行了測量。對于金剛石薄膜,在25MV/m的電場下,獲得了大小約5.5m A、均方根寬度約21度的平均電流。對于碳納米管薄膜,在13MV/m的電場下,獲得了大小約72m A、均方根寬度約16度的平均電流。對碳納米管薄膜的熱效應分析表明,電流來自于場致發(fā)射;束斑測量結果表明其橫向均勻性較好;多次測量和連續(xù)測量表明其穩(wěn)定性較好。
【關鍵詞】：場致發(fā)射陰極微波電子槍 混頻加速 焦耳熱效應 碳納米管薄膜
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN12
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 主要符號對照表9-10
• 第1章 緒論10-25
• 1.1 自由電子激光對電子束的要求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 場致發(fā)射陰極研究現(xiàn)狀17-22
• 1.3.1 場致發(fā)射陰極介紹18-20
• 1.3.2 場致發(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23-25
• 第2章 微波場中的場致發(fā)射理論25-43
• 2.1 Fowler-Nordheim方程25-27
• 2.2 微波場中的場致發(fā)射27-32
• 2.2.1 場致發(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 電場波動對場致發(fā)射的影響31-32
• 2.3 建場過程中的場致發(fā)射32-34
• 2.3.1 電流波形隨時間的變化32-33
• 2.3.2 由電流波形確定場致發(fā)射寬度33-34
• 2.4 場致發(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系38-40
• 2.4.4 蒙特卡羅方法模擬場致發(fā)射過程40-41
• 2.5 小結41-43
• 第3章 場致發(fā)射陰極微波電子槍模擬研究43-69
• 3.1 單頻微波加速結構模擬研究44-53
• 3.1.1 縱向運動方程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 混頻加速腔的應用53-55
• 3.2.2 混頻場中的場致發(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67-69
• 第4章 碳納米管陰極熱效應模擬研究69-81
• 4.1 數(shù)值模型69-74
• 4.1.1 一維熱傳導方程70-71
• 4.1.2 邊界條件71-72
• 4.1.3 接觸點的簡化處理72-73
• 4.1.4 幾何尺寸與物理參數(shù)73-74
• 4.2 直流場中的熱效應模擬74-77
• 4.2.1 閾值電流密度與碳納米管尺寸的關系75-76
• 4.2.2 閾值電流密度與襯底參數(shù)的關系76-77
• 4.2.3 閾值電流密度的適用范圍77
• 4.3 微波場中的熱效應模擬77-79
• 4.4 小結79-81
• 第5章 微波場中場致發(fā)射初步實驗研究81-98
• 5.1 實驗平臺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中的場致發(fā)射初步實驗86-89
• 5.2.1 電流波形及場致發(fā)射特性擬合86-88
• 5.2.2 能譜測量88-89
• 5.2.3 束斑測量89
• 5.3 碳納米管薄膜在微波場中的場致發(fā)射初步實驗89-96
• 5.3.1 電流波形及場致發(fā)射特性擬合91-92
• 5.3.2 熱效應分析92-93
• 5.3.3 能譜測量93-94
• 5.3.4 束斑和發(fā)射度測量94-96
• 5.3.5 穩(wěn)定性分析96
• 5.4 小結96-98
• 第6章 結論98-100
• 參考文獻100-106
• 致謝106-108
• 個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果108-109

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前6條

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本文編號：687169