强流相对论性电子束加速及传输的研究

论文摘要

高功率脉冲技术又称强流相对论粒子束(包括电子束或粒子束)，也通称高功率粒子束加速器。它是由于国防科研需要而开始发展起来的一门新兴科学技术，近40年来，高功率脉冲技术的迅速发展是非常引入注目的。高功率粒子束目前已应用到许多科学研究领域，成为有利的研究工具，由于该技术高性能指标是第一要素，设计准则着重于研究与发展，因此投资大，一般由政府来承担高风险。在我国，这方面的研究更多的是理论和工程上的探索，在数值模拟上还不够成熟。本文介绍了感应加速器的基本工作原理，对感应加速器螺线管线圈进行数值计算，通过与试验测得的磁场值对比来验证其正确性，简单推导束流的傍轴射线传输方程利用Magic软件模拟全段加速管的束流传输，同时利用国产全电磁粒子模拟软件Chipic进行数值模拟并与Magic软件模拟结果进行对比验证。然后在圆柱坐标系下推导Corkscrew运动方程，通过Magic软件模拟得到影响Corkscrew运动的相关因素。在此基础上介绍利用Chipic软件开发的2.5维感应加速器模拟软件。最后利用电子光学原理提出一种新型的紧凑型静电加速管，该加速管全长不到一米，在不加磁场的基础上能将电子束加速到10MeV以上。通过Magic模拟，优化出一种比较好的结构，使束流能顺利通过加速管。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 高功率脉冲技术的历史背景
• 1.2 强流相对论粒子束的特点
• 1.3 强流相对论电子加速器的研究现状及用途
• 1.3.1 直线感应加速器（LIA）的现状及用途
• 1.3.2 静电加速器的现状及用途
• 1.4 本文工作的意义及工作简介
• 第二章 直线感应加速器
• 2.1 直线感应加速器的原理
• 2.2 感应直线加速器的2.5维数值模拟
• 2.2.1 线圈的磁场计算及数值模拟
• 2.2.1.1 轴对称线圈的磁场计算
• 2.2.1.1.1 坐标转换
• 2.2.1.1.2 瑕点的转移
• 2.2.1.1.3 龙贝格求积分和磁场计算程序
• 2.2.1.2 磁场的数值模拟验证
• 2.2.2 电子束的束传输与聚焦
• 2.2.2.1 轴对称束流传输理论
• 2.2.2.1.1 带电粒子束的相空间描述
• 2.2.2.1.2 傍轴射线方程
• 2.2.2.2 感应加速管的物理模型
• 2.2.2.3 电子束流的建立
• 2.2.2.4 感应加速场的建立
• 2.2.2.5 CHIPIC与MAGIC的对比
• 2.2.2.6 对束流传输的模拟研究
• 2.2.2.6.1 束心运动方程
• 2.2.2.6.2 Corkscrew运动的数值模拟
• 2.2.3 2.5维感应加速器模拟软件ACCR
• 第三章 紧凑型静电加速管
• 3.1 紧凑型静电加速管的设计原理及理论
• 3.1.1 膜片电极系统轴上电势分布
• 3.1.2 加速管内电子束传输理论
• 3.1.3 傍轴轨迹方程
• 3.1.4 近轴区电场对电子束的作用力
• 3.2 紧凑型静电加速管的数值模拟
• 3.2.1 紧凑型静电加速管的物理模型
• 3.2.1.1 紧凑型静电加速管结构模型的建立
• 3.2.1.2 电子束流源及加速电场的建立
• 3.2.2 紧凑型静电加速管的数值模拟
• 3.2.2.1 电子束流的传输
• 3.2.2.2 最大场强点
• 第四章 小结与展望
• 4.1 本文工作的总结
• 4.2 对今后工作的思考
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻硕期间取得的研究成果