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新型二次电子倍增阴极的蒙特卡罗模拟研究

董烨 刘庆想 李相强 周海京 董志伟

董烨, 刘庆想, 李相强, 等. 新型二次电子倍增阴极的蒙特卡罗模拟研究[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30: 063005. doi: 10.11884/HPLPB201830.170431
引用本文: 董烨, 刘庆想, 李相强, 等. 新型二次电子倍增阴极的蒙特卡罗模拟研究[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30: 063005. doi: 10.11884/HPLPB201830.170431
Dong Ye, Liu Qingxiang, Li Xiangqiang, et al. Monte Carlo simulation of a novel multipacting cathode[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2018, 30: 063005. doi: 10.11884/HPLPB201830.170431
Citation: Dong Ye, Liu Qingxiang, Li Xiangqiang, et al. Monte Carlo simulation of a novel multipacting cathode[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2018, 30: 063005. doi: 10.11884/HPLPB201830.170431

新型二次电子倍增阴极的蒙特卡罗模拟研究

doi: 10.11884/HPLPB201830.170431
基金项目: 

国家自然科学基金项目 11475155

国家自然科学基金项目 11305015

详细信息
    作者简介:

    董烨(1981—),男,副研究员,从事脉冲功率及高功率微波技术研究;dongye0682@sina.com

Monte Carlo simulation of a novel multipacting cathode

  • 摘要: 提出了一种新型二次电子倍增阴极强流二极管,并对其进行了动力学理论简化模型和蒙特卡罗数值模拟的对比验证研究。首先,基于设计结构原型,根据二次电子发射特性进行合理简化,建立了动力学模型,获得了电子速度、位移以及渡越时间的解析结果,并结合Vaughan的二次电子产额模型,确定了该新型二次电子倍增阴极强流二极管的理论工作区间;其次,理论分析了施加径向电场的重要意义,并给出了二次电子运动特征参数(最大位移、渡越时间、碰撞能量等)的理论预估结果;最后,对该新型二次电子倍增阴极强流二极管进行了蒙特卡罗模拟研究,获得了电子的运动轨迹、碰撞能量以及二次电子倍增工作区间等物理图像,并将蒙特卡罗数值模拟结果与理论结果进行了比对,两者吻合程度较好,对可能的误差来源进行了分析讨论。理论和模拟结果表明:新型二次电子倍增阴极强流二极管概念可行,工作区间内通过调整施加电场与磁场幅值,可有效达到电子运动状态可控的目标。另外,理论粗估了二次电子倍增饱和条件下的阴极发射电流密度,结果表明:发射电流密度可达kA/cm2水平,具备强流发射特性;增加外加径向场强幅值可有效提升发射电流密度。最后,对该新型二次电子倍增阴极设计步骤和依据进行了讨论。
  • 图  1  二次电子倍增阴极表面电子运动轨迹示意图

    Figure  1.  Schematic of trajectories of secondary electrons on the surface of multipacting cathode

    图  2  二次电子倍增阴极二极管构型及场形分布模拟结果

    Figure  2.  Configuration design and electric-field distribution of the multipacting cathode for high-current diode

    图  3  蒙特卡罗模拟计算流程图

    Figure  3.  Flow chart of Monte Carlo simulation

    图  4  电子运动状态的蒙特卡罗模拟图像

    Figure  4.  Physical images of the moving secondary electrons by Monte Carlo simulation

    图  5  二次电子倍增阴极工作区间

    Figure  5.  Working range diagram of multipacting cathode

    图  6  二次电子倍增阴极工作点的选取

    Figure  6.  Working point selection of the multipacting cathode

    表  1  二次电子运动特征参数的蒙特卡罗模拟结果

    Table  1.   Characteristic parameters of the moving secondary electrons by Monte Carlo simulation

    model No. Ex0/(MV/m) Ez0/(MV/m) Bz0/T zmax/mm xmax/μm ymax/mm Ei/eV vz〉/(m/s)
    1 3 3 1 0.19~0.25 25~32 ~0.11 600~900 ~8×106
    2 3 3 2 0.03~0.06 6~10 ~0.027 70~230 ~3.3×106
    3 3 3 0.5 1.0~1.2 120~140 ~0.44 3000~3800 ~1.6×107
    4 3 1.5 1 0.08~0.18 25~35 ~0.11 100~250 ~3.7×106
    5 3 6 1 0.40~0.60 25~35 ~0.11 2400~3600 ~1.6×107
    6 1.5 3 1 0.10~0.30 11~20 ~0.05 300~900 ~7×106
    7 6 3 1 0.20~0.30 58~70 ~0.22 600~950 ~8×106
    8 1.5 1.5 1 0.03~0.16 10~20 ~0.05 70~250 ~3.5×106
    9 6 6 1 0.50~0.60 58~70 ~0.22 3000~3800 ~1.6×107
    10 1.5 1.5 0.5 0.40~0.65 50~70 ~0.22 600~950 ~8×106
    11 6 6 2 0.12~0.15 12~18 ~0.05 550~900 ~8×106
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-02
  • 修回日期:  2018-01-12
  • 刊出日期:  2018-06-15

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