帶電粒子束的理論與設(shè)計

前言

帶電粒子束包括電子束和離子束，是近代物理的重要研究領(lǐng)域，也是信息科學(xué)及相關(guān)工程技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一。目前帶電粒子束已廣泛應(yīng)用于科學(xué)、工程和國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域。粒子加速器和儲存環(huán)中的帶電粒子束，是認(rèn)識物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，尤其是基本粒子的構(gòu)造與性質(zhì)的有力武器；多種多樣的電子顯微鏡已經(jīng)成為了解材料和生物樣品構(gòu)造及其表面結(jié)構(gòu)的最重要的工具；各種微波電子管（行波管、速調(diào)管、磁控管等）和自由電子器件可以產(chǎn)生或放大相干電磁波輻射，為開拓和占領(lǐng)電磁頻譜做出了很大貢獻(xiàn)。帶電粒子束物理的深入研究及帶電粒子束應(yīng)用的不斷推動，使帶電粒子束理論得到了長足的發(fā)展。表現(xiàn)為已有理論方法的不斷完善，同時新的理論方法也應(yīng)運而生。隨著電子顯微鏡、顯像管、攝像管、陰極射線示波管、電子像變換器等帶電粒子束器件與系統(tǒng)的出現(xiàn)，發(fā)展了幾何電子光學(xué)，又稱弱流電子光學(xué)，以研究帶電粒子束的成形、聚焦、成像、放大以及像差、色差等問題。隨著真空電子管，尤其是行波管、速調(diào)管、磁控管等微波電子管的出現(xiàn)，發(fā)展了空間電荷流光學(xué)，又稱為強流電子光學(xué)，以研究利用直線空間電荷流、曲線空間電荷流來產(chǎn)生、成形和傳輸電子束的各種強流電子槍。而新型自由電子器件，如電子回旋脈塞和回旋管的出現(xiàn)，又給強流電子光學(xué)帶來了新的問題和更大的發(fā)展空間。帶電粒子加速器和強流脈沖相對論帶電粒子束的出現(xiàn)，進(jìn)一步發(fā)展了高能粒子動力學(xué)和束流傳輸理論，這需要考慮粒子的速度離散對帶電粒子束整體性質(zhì)的影響，相應(yīng)地催生了相空間動力學(xué)及統(tǒng)計動力學(xué)。

內(nèi)容概要

　　《帶電粒子束的理論與設(shè)計》以新的視角闡釋和總結(jié)了帶電粒子束的基本理論，包括帶電粒子動力學(xué)基礎(chǔ)、帶電粒子光學(xué)、空間電荷流線性束理論、帶電粒子束的自洽理論、等離子體中的帶電粒子束、強流電子槍、高功率脈沖電子和離子二極管等；較系統(tǒng)地闡述了帶電粒子束的產(chǎn)生、成形和傳輸?shù)幕纠碚?；較深入地敘述了等離子體中的帶電粒子束的物理和技術(shù)問題；同時給出典型帶電粒子束器件和系統(tǒng)的理論設(shè)計方法?！稁щ娏Ｗ邮睦碚撆c設(shè)計》選材精煉、數(shù)據(jù)可靠、數(shù)學(xué)推導(dǎo)簡明，物理闡述翔實，反映了帶電粒子束物理的新進(jìn)展和學(xué)術(shù)成果?！　　稁щ娏Ｗ邮睦碚撆c設(shè)計》可作為從事電子科學(xué)與技術(shù)、物理學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，尤其是物理電子學(xué)、等離子體物理及加速器物理等相關(guān)專業(yè)的科研人員和工程技術(shù)人員的參考書，也可供以上專業(yè)的研究生使用。

書籍目錄

前言第1章 緒論1.1 研究對象與主要內(nèi)容1.2 歷史的發(fā)展與應(yīng)用1.3 帶電粒子束源1.4 高功率強流電子束的發(fā)射過程1.5 束的發(fā)射度和亮度第2章 帶電粒子動力學(xué)基礎(chǔ)2.1 洛倫茲力和運動方程2.2 洛倫茲力和運動方程的相對論形式2.3 拉格朗日方程2.3.1 哈密頓原理和拉格朗日方程2.3.2 廣義位和帶電粒子在電磁場中運動的拉格朗日方程2.4 哈密頓正則方程2.4.1 廣義動量與哈密頓正則方程2.4.2 帶電粒子的哈密頓量及某些守恒公式2.5 歐拉軌跡方程2.5.1 最小作用量原理和歐拉方程2.5.2 在軸對稱場中相對論歐拉方程2.6 劉維爾(Liouville)定理第3章 帶電粒子光學(xué)3.1 軸對稱電場和磁場的級數(shù)表達(dá)3.2 旁軸射線方程的推導(dǎo)3.3 旁軸射線方程的解的一般特性3.4 軸對稱場作為透鏡3.4.1 透鏡轉(zhuǎn)移矩陣的普遍性質(zhì)3.4.2 像的形成和放大3.5 靜電透鏡3.6 螺線管磁透鏡3.7 透鏡對跡空間橢圓和束包絡(luò)的影響第4章 空間電荷流線性束理論4.1 考慮空間電荷的束的理論模型4.2 漂移空間的軸對稱束4.2.1 具有均勻密度分布的層流束4.2.2 漂移空間圓形束的發(fā)散4.2.3 具有自身場和有限發(fā)射度的束的包絡(luò)方程4.2.4 均勻束模型的限制和極限電流4.3 虛陰極形成與極限電流4.4 具有外加場和自身場的軸對稱束4.4.1 具有自身場的旁軸射線方程4.4.2 在均勻聚焦通道中的束傳輸4.5 均勻磁場聚焦4.5.1 軸對稱電子束布里淵聚焦4.5.2 屏蔽式聚焦電子束的外徑波動4.5.3 軸對稱電子束非理想布里淵場過渡區(qū)中的聚焦4.5.4 軸對稱電子束部分屏蔽式聚焦4.6 周期磁場聚焦4.6.1 屏蔽式軸對稱電子束周期磁場聚焦4.6.2 部分屏蔽式軸對稱電子束周期磁場聚焦4.6.3 周期磁場聚焦電子束的大脈動數(shù)值計算4.6.4 周期磁場聚焦電子束的穩(wěn)定性第5章 帶電粒子束的自洽理論5.1 引言5.2 在無限強磁場中的圓柱束5.3 非相對論層流束平衡5.4 相對論層流束平衡5.5 在均勻磁場中失配層流束的分析5.6 具有動量離散的束的伏拉索夫模型5.7 卡普欽斯基-弗拉基米爾斯基分布5.8 麥克斯韋-玻爾茲曼分布5.8.1 粒子和德拜鞘層之間的庫侖碰撞5.8.2 ?？?普朗克方程5.8.3 相對論粒子束的麥克斯韋-玻爾茲曼分布第6章 等離子體中的帶電粒子束6.1 引言6.2 等離子體介電張量6.3 磁化等離子體中的電磁波6.4 考慮電荷中和的軸對稱束6.5 電荷中和束的自聚焦6.6 電子和離子束在幾種氣體中的電離截面6.7 脈沖束電荷中和6.7.1 電荷中和的線性束模型6.7.2 強相對論電子束的電荷中和效應(yīng)6.8 等離子體透鏡6.9 等離子體對電子束的聚焦特性6.9.1 均勻條件下電子束在等離子體中的傳輸6.9.2 非均勻條件下磁自聚焦電子束的傳輸6.10 離子通道的暫態(tài)特性6.11 等離子體陰極電子槍6.11.1 電子槍設(shè)計6.11.2 電子槍實驗6.12 虛陰極振蕩器6.12.1 波導(dǎo)和諧振腔中空間電荷極限電流6.12.2 虛陰極時間相關(guān)行為的單荷電層分析6.12.3 虛陰極高功率微波發(fā)生器的粒子模擬6.13 電子束-等離子體電磁波互作用6.13.1 等離子體通道中電子束的空間電荷波6.13.2 等離子體加載波紋波導(dǎo)束一波互作用的線性理論6.13.3 等離子體加載波紋波導(dǎo)束波互作用的非線性分析第7章 強流電子槍7.1 前言7.2 二極管中空間電荷流的流體力學(xué)模型7.3 平行直線電子注的成形7.4 錐形電子注的成形7.5 低導(dǎo)流系數(shù)電子槍參量計算7.6 電子熱初速7.6.1 橫向熱初速引起電子軌跡的偏離7.6.2 橫向熱初速引起注截面上電流密度分布的不均勻7.6.3 考慮熱初速效應(yīng)的低導(dǎo)槍設(shè)計曲線7.7 高導(dǎo)強流電子槍設(shè)計7.7.1 聚束極形狀的修正和等效陽極曲率半徑7.7.2 高導(dǎo)電子槍(米勒槍)設(shè)計曲線7.8 平面曲線電子注的成形7.9 空間曲線電子注的成形7.10 正交場中的空間電荷層流第8章 高功率脈沖電子和離子二極管8.1 引言8.2 相對論查爾德-朗繆爾定律8.3 電子在正交電磁場中的運動8.4 箍縮電子束二極管8.5 強外加磁場的電子束二極管8.6 高功率傳輸線的磁隔離8.7 等離子體尾融8.8 反射三極管8.9 低阻抗反射三極管8.10 磁隔離離子二極管參考文獻(xiàn)A.主要參考著作B.主要參考期刊C.作者發(fā)表的與本書內(nèi)容有關(guān)的部分論文

章節(jié)摘錄

第1章 緒論1.1　研究對象與主要內(nèi)容自湯姆孫（Thomson）1897年發(fā)現(xiàn)了自由電子并測定出電子荷質(zhì)比之后，一方面電子的基本屬性，如電荷、質(zhì)量、磁矩、自旋角動量、波一粒二象性等很快為人們所認(rèn)識；另一方面，由于陰極射線管、電子二極管和電子三極管，以及氣體放電等技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的需要，成束的帶電粒子流的特性開始逐漸被人們所揭示。隨著帶電粒子束器件和裝置的不斷出現(xiàn)與發(fā)展，形成了帶電粒子束理論這一新的學(xué)科。物理學(xué)和電子學(xué)工作者從各自領(lǐng)域的不同需求出發(fā)，豐富了帶電粒子束的研究內(nèi)容，推動了帶電粒子束理論的深入發(fā)展。帶電粒子束理論，又可稱為帶電粒子束動力學(xué)，研究成束的自由電子及離子在電磁場中的運動規(guī)律。研究的基本問題包括：自由帶電粒子在外加電場和磁場中的特性（單粒子動力學(xué)），以及當(dāng)帶電粒子束密度足夠高，相互間的作用不可忽略時，由粒子分布和運動產(chǎn)生的集合場中的粒子特性（自身場效應(yīng)）。氣體放電和等離子體微運動許多方面也可歸人帶電粒子動力學(xué)。原子或分子的電子殼層或晶體的周期勢場（電子繞射）以及局域粒子物理（固態(tài)理論）中的自由粒子的相互作用在此范圍之外。這些情況下的粒子特性由量子力學(xué)而不是由經(jīng)典力學(xué)來給以描述。電場和磁場可以是靜態(tài)的，也可以是與時間相關(guān)的，粒子的動能可以是非相對論的，也可以是相對論的。一般處理粒子為經(jīng)典點電荷。在本書中，一般不考慮粒子的量子力學(xué)效應(yīng)，也不重點討論加速帶電粒子的電磁輻射。另外需要考慮集合效應(yīng)，例如內(nèi)束散射以及束粒子和氣體分子之間的碰撞，這些效應(yīng)在背景氣體電離的電荷中和、熱平衡分布的形成以及引起發(fā)射度增長中起了主要的作用。當(dāng)自身場被考慮時，帶電粒子束類似于非中性等離子體，即一類特別的等離子體，這種帶電粒子束具有遠(yuǎn)大于隨機熱速度的漂移速度，而且不滿足在規(guī)則等離子體中由于相反電荷粒子引起的電中性等。帶電粒子束可以認(rèn)為是粒子沿直線或曲線路徑運動的清晰的連續(xù)流動或群聚的流，運動方向通常定義為縱向，橫向則被外加聚焦系統(tǒng)或由于相反電荷粒子的存在而引起的自聚焦所約束。橫向速度分量和縱向速度的離散與束的平均縱向速度比較為小量。

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《帶電粒子束的理論與設(shè)計》由科學(xué)出版社出版。

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