等离子体填充相对论行波管

相对论行波管是近20年来发展起来的一种重要的高功率微波器件,它利用电子注中的慢空间电荷波与结构波发生同步互作用来实现高频信号放大.近年来研究发现,当在微波器件中填充了等离子体以后,器件的输出功率和互作用效率得到显著提高,同时等离子体还可改善电子注的传输质量,甚至取消笨重的外加磁场.综述了等离子体填充相对论行波管的研究背景和国内外的发展概况,报道了该类器件在理论和实验研究两个方面的最新进展,具体分析了等离子体加载两种慢波结构--波纹波导和螺旋线中电磁波传播的色散方程,预测了该类器件的发展趋势,提出了一些建议.     

带转动的相对论电子束在非中性等离子体柱状波导中传输的稳定性分析

首先利用相对论电子束的自电场与自磁场所产生的径向力平衡方程,计算出相对论电子束在稳态非中性等离子体填充的柱状波导中传输的转动频率。然后运用 MHD 方程,求得电子束静电扰动的本征方程和色散关系。发现电子束与非中性等离子体相互作用的不稳定性增长特性及静电扰动在高频长波被显著放大。     

等离子体加载相对论返波振荡器研究进展

在相对论近波振荡器工作用腔内加载适量密度的背景等离子体后，器件综合性能较真空情况有显著改善和提高，最近的理论和实验研究结果揭示：背景等离子体的存在能显著地改善相对论电子注传输质量和提高电子注可传输的流强，提高输出功率容量；增强微波产生效率；控制等离子体密度能宽带调谐工作频率；能降低甚至不用聚束磁场等优点。本文全面系统地综述了国内外在等离子体加载相对论近波管研究中的最新进展情况，提出了理论和实验研究两方面存在的问题，展望了该研究领域的未来发展趋势。     

激光等离子体加速电子与固体靶相互作用产生相对论正电子的模拟计算

通过理论分析,建立了激光等离子体加速电子与固体靶相互作用产生相对论正电子的物理模型,以及Geant4模拟程序.以100 Me V量级的激光等离子体加速电子束参数为输入,模拟研究了不同靶材和靶厚条件下正电子束的产额、能量、角分布等主要物理参数.结果表明:金靶和钽靶是较优秀的电子—正电子转换靶材;对于相同的金属靶材面密度,正电子产额与原子序数Z的四次方成正比,与原子质量数A的平方成反比,即Ne+∝(Z2/A)2;对于不同的靶材,正电子产额有Ne+∝d2,其中d为靶材厚度,但仍存在一个最佳靶厚度.与利用拍瓦、皮秒激光束与固体靶相互作用产生正电子束的方案相比,利用本方案有望获得更高能量以及更小角发散的相对论正电子束,其流强可达107/shot.     

Cerenkov自由电子激光的理论研究

本文利用等离子体的磁流体理论对相对论电子束穿过充满介质的园柱形波导的空腔时所引起的切伦柯夫辐射进行理论分析，并对其频率特性、不稳性增长率以及电磁场分布等给以定量讨论，给出了ＴＭｏｌ模自由电子激光的一些重要的数据结果     

强流电子束产生与应用测量系统研究

以高功率微波为代表的强流电子束的产生和应用在高度信息化社会中展现出巨大的应用潜力和广阔的发展前景。强流电子束产生和应用实验中通过监测强流加速器的二极管电压和电流可以判断强流加速器的工作状态,而高功率微波器件的输出特性的好坏可以通过监测高功率微波的频率、功率及模式来判断,从而实现强流电子束的产生和应用。强流电子束的产生与应用测量系统研究教学不仅为学生掌握强流加速器和相对论器件的工作原理提供好的实践平台,同时为学生在物理电子学专业课程的学习提供更直观的认识和更深入的理解。     

低功率信号驱动的相对论速调管研究

在相对论速调管放大器中, 由于弱调制电子束通过中间腔会激发较强微波场来实现电子束群聚, 在调制腔和输出腔之间增加中间腔可以有效降低注入微波功率, 提高放大高增益, 然而这种中间腔, 尤其是多个中间腔, 会导致器件中高次模的激发, 影响器件工作模式的正常工作, 产生微波脉冲缩短等现象. 根据高次模激发的正反馈过程, 采取相应措施可以提高其阈值电流, 使其大于工作电流, 从而避免高次模对工作模式的影响; 由此设计了一个电子束参数为5 kA, 电子能量600 kV、高增益S波段相对论速调管, 模拟微波输出功率1.1 GW, 注入微波功率6.8 kW, 相应增益为1.6×10⁵.     

激光等离子体相互作用下高次谐波特性研究

相对论激光与等离子体相互作用中形成的纳米电子束在强激光场中的相干同步辐射是产生相干极紫外线和X射线辐射的独特方式.相对论激光脉冲的宽度和等离子体的各种参数决定了产生单个阿秒脉冲还是阿秒脉冲串.在激光脉冲持续时间只有少数几个光学周期下,其载波包络相位对阿秒脉冲有重要影响.通过控制载波包络相位在合适的范围,可以得到孤立阿秒脉冲.除了驱动激光的载波包络相位,等离子体密度分布梯度和等离子体厚度也会影响阿秒脉冲的特性.     

相对论等离子体涨落的关联效应

等离子体集体涨落是对许多现象进行物理分析的理论基础．本文在相对论ＢＢＧＫＹ关联动力论基础上，建立了计算相对论等离子体集体涨落的基本公式．     

相对论等离体涨落的关联效应

等离子体集体涨落是对许多现象进行物理分析的理论基础，本文在相对论ＢＢＧＫＹ关联动力论基础上，建立了计算相对论等离子体集体涨落的基本公式。     

相对论电子在螺旋磁场中的辐射

从运动荷电粒子产生的流出发 ,导出相对论电子和相对论电子集在等离子体及真空情况下曲率辐射的能量谱及辐射总能量 ,分析了等离子体对辐射的影响 .并着重用曲率辐射公式讨论了在磁流体吸积盘的特殊螺旋强磁场中的辐射特点 .     

Monoenergetic beams of relativistic electrons from intense laser-plasma interactions

High-power lasers that fit into a university-scale laboratory can now reach focused intensities of more than 10(19) W cm(-2) at high repetition rates. Such lasers are capable of producing beams of energetic electrons, protons and gamma-rays. Relativistic electrons are generated through the breaking of large-amplitude relativistic plasma waves created in the wake of the laser pulse as it propagates through a plasma, or through a direct interaction between the laser field and the electrons in the plasma. However, the electron beams produced from previous laser-plasma experiments have a large energy spread, limiting their use for potential applications. Here we report high-resolution energy measurements of the electron beams produced from intense laser-plasma interactions, showing that--under particular plasma conditions--it is possible to generate beams of relativistic electrons with low divergence and a small energy spread (less than three per cent). The monoenergetic features were observed in the electron energy spectrum for plasma densities just above a threshold required for breaking of the plasma wave. These features were observed consistently in the electron spectrum, although the energy of the beam was observed to vary from shot to shot. If the issue of energy reproducibility can be addressed, it should be possible to generate ultrashort monoenergetic electron bunches of tunable energy, holding great promise for the future development of 'table-top' particle accelerators.     

离子通道的形成机理与动态特性分析

研究了离子通道的产生背景及物理机制,利用电磁场理论导出了离子通道的聚束条件和通道半径所满足的方程,并对各区域的相对介电常数作了分析.同时,针对离子通道的动态特性,对所导出的电子振荡运动方程作了定性的讨论.     

利用相干渡越辐射测量自由电子激光的群聚

探讨了利用相干渡越辐射(CTR)来测量自由电子激光(FEL)群聚电子束的测量方法。根据相干渡越辐射(CTR)的特性,结合FEL中电子束群聚的特点,建立了理论模型。利用CAEP光阴极RF腔注入器、30 M eV射频加速器产生的30 M eV电子束及相应的FEL装置进行了实验验证。结果表明:群聚后电子束渡越辐射的强度大大高于非群聚电子束的辐射强度,而且辐射角也很小,反映了该辐射的相干性,由此可以给出电子束的群聚效果。     

自由电子激光中电子的混沌运动

本文讨论了常参数荡器自由电子激光中电子的运动，从电子相空间的轨道来看，电子的运动出现了Ａｒｎｏｌｄ扩散。     

数值模拟相对论返波管中电子注参数变化对脉冲缩短现象的影响

脉冲缩短是高功率微波器件中普遍存在的现象,它妨碍了输出微波能量的进一步提高.迄今为止,它仍是高功率微波研究领域中一个尚待解决的问题.本文以相对论返波管为例,用数值模拟的方法研究了电子注参数改变对脉冲缩短现象的影响.研究表明,当该器件运行于脉宽小于100ns的短脉冲时,阴极所发射电子注的膨胀不是导致其中产生脉冲缩短现象的主要因素,但其运行于长脉冲时,则为一重要因素;电子注电压和电流的脉动也会引起脉冲缩短.     

激光等离子体相互作用中产生的磁场与电子热传导

本文应用三维相对论电磁粒子模拟程序,研究超强超短脉冲激光与等离子体薄靶的相互作用中产生的磁场与电子热传导。研究结果表明,被激发的磁场使电子束在非常短的距离内沉积能量,同时对在激光有质动力推开电子时形成的电子热流产生抑制作用。对这些物理过程的细致研究对更好的理解快点火物理中自生磁场的产生,快电子输运等过程有重要意义。     

相对论等离子体经典多体动力学

从拉格朗日坐标和欧勒坐标来建立多体动力学的精确方程，在分析Ｋｌｉｍｏｎｔｏｖｉｃｈ理论框的基础上，建立力学层次的相对论等离子体经典多体动力学的基本方程组。     

电子束直接熔化技术中的粉末状态分析

在电子束直接熔化金属粉末技术中,为了避免真空室抽气瞬间的气流和电子束对金属粉末的作用力改变粉末的堆放状态,建立了金属粉末受力模型,并对金属粉末的受力进行计算和分析。理论分析与实验结果表明,在抽气口位置粉末容易被气流抽走,工作台不能与抽气口在同一水平高度。0.5mA以上的电子束束流引起的压力会推开气雾化不锈钢粉末,该现象的主要解决途径为降低电子束束流、提高粉末致密度和选用摩擦因数大的金属粉末。此外,利用电子束对金属粉末预热,提高其相互间的粘结力也是解决方法之一。