强流相对论电子束在ppm系统中的传输特性研究

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1、强流相对论电子束在PPM系统中的传输特性研究顾若男李相强孔龙刘庆想王少萌南交通大学物理科学与技术学院首先对强流相对论电子束在聚焦系统屮的传输特性进行Y理论分析，给出丫束流参数与周期引导磁场峰值大小的关系，然后通过粒子仿真验证了理论分析的正确性，并得到了在一定的电压和通道半径条件下，周期永磁聚焦（PPM）系统能传输的电子束的最大电流。文章为强流相对论电子束周期永磁聚焦系统的设计提供了一定的参考。关键词：强流相对论电子束;周期永磁聚焦;粒子仿真;基金：国家自然科学基金项目（11405137）Analysisoftransmissioncharacteris

2、ticsoftheintenserelativisticelectronbeamunderPPMfocusingsystemGURuo-nanLIXiang-qiangKONGLongLIUQing-xiangWANGShao—mengSchoolofPhysicsScienceand/Technology,XinanJiaotongUniversity;Abstract：Inthispaper,thetransmissioncharacteristicsoftheintenserelativisticelectronbeaminthefocusing

3、systemareanalyzedtheoreticallyfirstly,itpresentstherelationshipbetweenthebeamparametersandthepeakvalueoftheperiodicmagneticfield,thecorrectnessofwhichisverifiedbytheparticlesimulationthen.AndthemaximumcurrentoftheelectronbeamthatcanbeconveyedintheperiodicPMfocusingsystemunderfix

4、edvoltageandchannelradiusconditionsisobtained.ItprovidesareferenceforthedesignofintenserelativisticelectronbeamperiodicPMsystem.Keyword：intenserelativisticelectronbeam;periodicPMfocusing;particlesimulation;0引言周期永磁(PPM,PeriodicPermanentMagnets)聚焦是采用沿电子注行进方向周期变化的磁场实现电子注聚焦的一种聚焦方式，在

5、所有聚焦方式中，它的体积最小、重量最轻，并且由于其不消耗功率，杂散磁场小的优点，广泛应用于微波管电子注聚焦［1-3］。相较于均匀磁场，采用PPM系统可显著减少聚焦系统的体积和重量，从理论上讲，有N个周期长度的PPM的聚焦系统是相同长度均匀永磁系统重量的1/N,实际重量在1/N和1/N之间。国内外对非相对论轴向电子束在周期永磁磁场中的运动进行了深入的理论分析，并且PPM聚焦系统已大量实际地用于中小功率行波管［4-5］。而在微波源的发展过程中，高功率、高频率和高效率和小型化成为大多数高功率微波源的发展方向包1，强流相对论电子束周期永磁聚焦系统符合高功率、小

6、型化的发展要求，但针对其展开的研究很少，因此对强流相对论电子束在PPM聚焦系统中的运动进行研宄对高功率微波源小型化具有重要意义。木文首先对相对论强流电子朿在聚焦系统中的传输特性进行理论分析，通过求解相对论强流电子束在磁场中的运动方程，给出束流参数与外加引导磁场强度的关系，对非相对论条件下电子束参数与磁场关系进行修正。然后通过对理想电子束的在PPM聚焦系统中的运动状态进行仿真，验证理论分析的正确性;并探宄在一定电压条件下，能在PPM聚焦系统下能够传输的电子束的最大功率。1理论分析电子注的特性可由以下几个参数:注腰半径a（单位mm）、注电压U（单位V）、注

7、电流T（单位A）等表示。由文献可知，在非相对论条件下，聚焦电子束所需的布里渊磁场为：在相对论条件下，由于需要考虑电子束自磁场和电子质量的变化，布里渊磁场公式将得到修正。在只考虑自洽空间电荷场中，在粒子运动速度足够高的情况下,不仅考虑空间电荷效应，还要考虑磁的相互作用，即自磁场。此时，电子所受的总的径向作用力为：可等效为此时自洽电荷场为:显然，自磁场力与空间电荷电场力的方向正好和反。在电子的加速电位足够高，电子的运动速度可与光速比拟时，电子束的自身磁场作用力将部分抵消空间电荷力，使发散作用削弱，而当加速电位非常高，电子速度实际接近光速吋，磁力将完全补偿空

8、间电荷电场的发散作用。考虑相对论效应的条件下，均匀轴向磁场对旋转对称带电粒子束的径向加速度:旋