强流相对论带状电子束的产生与传输技术研究

The generation and propagation of the intense relativistic sheet electron beams will be investigated for future high-power-microwave generators with sheet electron beams, which are supposed to be compact and have high efficiency. To generate the intense relativistic sheet electron beam, the emitting material and its structure in the cold cathode, the space-charge fields of the sheet electron beam in the accelerating gap, the electric-field strength on the surface of the cold cathode should be investigated in detail.To propagate the beam, the space-charge fields and the space-charge-limiting current of the beam should be theoretically analyzed, the generation and measurement of the periodic cusped magnetic fields should be investigated, the stability of the sheet electron beam should be evaluated,and the electric and the magnetic fields matching between the acceleration gap and propagation region should be investigated. Then, experimental research should be carried out to validate the theoretical and numerical results and to uniformly generate and stably propagate the sheet electron beam of 300keV, 3kA.

带状电子束高功率微波源因其潜在的紧凑性和高束-波转换效率等优点，受到国内外研究人员的广泛关注。而强流相对论带状电子束的产生和传输是该类型高功率微波源研究中必须突破的难题之一。为此，本项目拟对强流相对论带状电子束的产生和传输技术开展理论分析和实验研究。首先，对强流相对论带状电子束产生技术开展研究，包括多级加速冷阴极发射材料与结构，加速间隙内准矩形横截面带状电子束的空间电荷场，阴极和多级加速阳极表面的场强分布等。然后，对强流相对论带状电子束的传输技术开展研究，包括不同结构传输通道内带状电子束的空间电荷场和极限电流分析，周期永久磁场的产生和测量，周期磁场中带状电子束传输的稳定性等问题。最后，开展300keV、3kA强流相对论带状电子束产生与传输的实验验证，并根据实验结果对理论分析方法进行修正。

本项目以实用化的带状电子束高功率微波源为背景，对强流相对论带状电子束产生与传输技术开展了广泛而深入的研究。在强流带状电子束的产生方面，研究了冷阴极结构、发射体材料、加速间隙的影响，对阴极和多级加速阳极表面的场强分布进行了优化设计。在强流相对论带状电子束的传输技术研究方面，研究了电子束与约束磁场的匹配条件，周期磁场中带状电子束传输的稳定性条件，以及有限长波纹波导内电子束的传输问题。为了在有限长传输距离条件下获得电子束得稳定传输，设计了强流相对论带状电子束收集极，该收集极能够为电子束的传输和终止研究提供良好的轴向末端边界；为了降低束波作用产生的TM11模式强谐振场可能导致的电子束崩溃，设计了可良好接收TM11模式的微波模式转换器，转换后可输出实用的TE10模式；为了研究具有实用价值的带状电子束的传输过程，以带状电子束为中心，以X波段相对论返波振荡器为研究模型，开展了大量的仿真优化，使带状电子束能够在振荡器内参与并完成束波相互作用，到达波纹波导末端。最后，开展了强流相对论带状电子束产生与传输的实验验证，电子束传输效果较好。这些工作为强流相对论带状电子束的实用化，研制出带状电子束高功率微波源，奠定了重要的理论与技术基础。