射频腔场加载过程中二次电子倍增瞬态特性研究

Multipactor, a commonly observed phenomenon in the RF systems, have been researched widely assuming that the amplitude of RF electric field is fixed or loaded already before multipactor occurs. In this project, numerical simulations and experiments will be employed in the investigation of multipactor discharge characteristics in the buildup of cavity field with the structure of parallel-plate electrodes. The activity of multipactor in the buildup process, which is different with that in a fixed-amplitude field, is simulated by coupling with parameters of extenal circuit with the development of particle simulation code, and experimental validated with the fabrication of a parallel-plate resonator. The study of this project is aiming at obtainment of the internal interaction of multipactor discharge and RF resonator parameters in buildup process and discovering of experimental evidence of this interaction. This project will expend the understanding of transient mechanism of multipactor in buildup process in the resonator and could provide guidance to the optimization design of RF cavities.

作为一种普遍存在于微波高频系统中的物理现象，二次电子倍增（Multipactor）得到了研究者的广泛研究。目前对其机理的研究采取的假设条件是射频电压峰值恒定或是场已经加载完成。本课题拟针对双平板结构在射频场加载时发生的二次电子倍增瞬态过程，从数值模拟及实验验证两个方面进行研究，揭示该过程的规律。通过建立双边二次电子发射模型与外电路等效参数模型，利用全电磁粒子模拟方法，编制相关程序，将二次电子倍增与外电路参数动态变化有机地耦合起来，并搭建双平板二次电子倍增验证实验装置，研究不同于固定射频场幅值的时变条件下动态建立射频场时的二次电子倍增的行为特征，获得倍增规律与射频系统参数的联系。本课题不仅能够加深对二次电子倍增机理的认识和理解，解释场加载过程中二次电子倍增实验现象，还可以为加速器设计和稳定运行提供重要依据和参考。

本项目通过完成编写二次电子动力学与外电路参数变化结合的模拟仿真代码，建立了射频建场时二次电子倍增瞬态行为研究的数值模拟方法：分析了建场过程中二次电子倍增发展瞬态行为特征与射频系统集总参数之间的联系；研究了建场成功对应的最小腔压与射频参数的定量关系；研究了采用非理想源模型后，射频源参数对谐振腔参数的改变相对于理想源情况下的差异，以及影响谐振腔稳定运行的因素，分析了射频腔稳定工作的条件，并通过实验验证。搭建了双平板二次电子倍增实验装置，在不同的射频系统参数下开展了平板结构射频建场实验，通过实验结果能够修正代码中的理论假设参数；另外部分实验结果无法通过修正现有模型获得理论解释，也给出了合理的定性分析；通过老练实验，获得了不同老练方式下二次电子发射系数降低随时间变化的曲线，证明了二次电子老练实际上是一种微波表面除气过程，这些结果能够对二次电子倍增敏感的加速腔老练提供一定的指导意义。