为了探究在圆偏振激光脉冲中电子初始位置对其运动轨迹和空间角辐射的影响, 根据非线性汤姆逊散射模型、能量方程以及拉格朗日方程推导出了高能电子的空间运动方程, 并与MATLAB数值模拟的方法相结合, 做出了高能电子空间运动轨迹图和空间角辐射模拟图。结果表明, 电子在涡旋横向力的作用下在全空间运动的前部轨迹呈紧密分离螺旋状, 而后部轨迹由空间间隔遥远的稀疏圆组成, 随着电子初始位置的右移, 空间角辐射达到最大值时, 极角θ和方位角的值有不断减小的趋势, 在z0=5λ0后趋于稳定, (θ,)=(23.5°,175.5°); 激光脉冲中电子初始位置的改变对电子的运动轨迹和空间角辐射有较大影响。该结果为后续研究电子初始位置对高能电子辐射特性的影响奠定了基础。

为了得到场约束方式下，金属陶瓷封装端窗透射微型X光管发射电流的最大化和焦斑尺寸的最小化，对热阴极发射体的几何结构进行仿真计算，为设计实物模型提供技术方案。首先，从理论上推导了直热式阴极发射体、发射电流密度与几何结构的关系，其次讨论了有限积分算法在求解电场分布数值解过程中的离散化思路，最后利用CST粒子工作室软件，建立了几何模型，对阴极发射体的几何结构进行了优化。在灯丝距离控制极0.4 mm、控制极开孔直径为0.6 mm的位置，能够得到较小的焦斑和较高的电荷密度分布。试制的阴极发射体最大发射电流可达85 μA。

为提高高功率微波(HPM)辐射天线的功率容量, 设计了带均压环的HPM微波辐射天线窗。均压环嵌入介质窗表面后介质窗表面电场分布发生改变, 电子运动轨迹也随之发生改变, 改变电子运动轨迹能有效抑制二次电子倍增造成的介质窗击穿。当均压环与辐射场电场垂直时, CST模拟表明, 均压环的加入基本不影响天线的辐射性能。将其应用于返波管振荡器(BWO)实验中(输出微波为TM01模), 结果表明: 在束压3 MV、束流10 kA、效率30%时, 普通天线窗输出脉宽为45 ns, 而加入均压环的天线窗输出脉宽100 ns。

采用相对论Lorentz方程,数值计算了高能电子在线极化激光驻波场中的运动过程。计算结果表明,电子能量存在一个临界值,能量超过临界值的入射电子在驻波场中振荡运动的稳定平衡位置由波节变成波腹。在波腹处平行于电场入射的高能电子在强电场作用下速度和能量快速振荡,其振幅包络近似为余弦函数。而在波节处垂直于磁场入射的电子仅在Lorentz力作用下快速振荡,在穿过驻波中心前获得能量,穿过中心后失去能量,电子出射后能量均保持不变。

建立了真空中高功率微波作用下介质窗表面电子运动2维仿真模型,充分考虑了微波电磁场及介质表面静电场等影响因素。通过对不同电子出射初始角度和微波场参数(电场幅值、频率及电子出射时电场相位)对电子运动状态影响的仿真分析,得到了二次电子倍增过程中电子在复合场下的运动轨迹、电子重新返回介质表面的撞击能量及返回时间等状态参数,获得了电子运动状态参数随电子出射角度和微波场参数的变化规律。研究发现:电子出射角度对其运动状态有显著影响,电子存在运动轨迹最大的某一出射角度,该角度下电子拥有最大的撞击能量;微波电场幅值的增加将使电子撞击能量增加,返回时间减小,微波电场相位的变化使电子的撞击能量和返回时间呈周期振荡,这从本质上解释了电子数量在二次电子倍增过程中以微波频率两倍周期振荡的原因;随着微波频率的增加电子将由简单的类抛物线运动转变为复杂的振荡运动。

本文利用笔者发明的"原子内电子运动瞬时速度和轨道半径测量方法及其测量设备"(于2005年3月23日,由中华人民共和国国家知识产权局授予发明专利证书,发明专利号:ZL00105041.9),对氢原子、氦离子、氦原子内旋转运动着的电子在发射不同频率的电磁波时的运动瞬时速度和轨道半径进行了实测与研究,首次实现了氢原子内电子运动参数的精确测量,氢原子的电子在发射(巴尔末谱线系)不同频率的电磁波时分别所对应的电子运动瞬时速度(km/s)是:5173.9740,4899.4164,5510.2393,4673.4087,5860.4100,4313.0330;和分别对应的轨道半径(×10-12 m)是:9.4640,10.5540,8.3440,11.6000,7.3770,13.6200.此结果与过去用其它方法实测的氢原子核间距离的一半32×10-12 m进行分析、比较,可以断定,用此方法测量的原子内电子运动瞬时速度和轨道半径数据是非常精确的.原子结构的动态"行星"模型图像第一次清晰地展现在人们的眼前;这标志着爱因斯坦与玻尔关于对"测不准原理"长期争论的结束;爱因斯坦的决定论观点取得了根本性的胜利.氢原子内旋转运动着的电子发射红、绿、兰、紫、紫外1、紫外2电磁波时,它所处的位置, 运动速度不同.每一个小周期内,电子发射两次电磁波.电子发射电磁波时,在一个位置上的运动速度较快,而在另一个位置上则较慢,即电子时而加快,时而又减慢;电子时而靠近原子核,进而又远离原子核,电子围绕原子核的旋转运动半径R 成周期性的变化;同时,电子旋转运动速度的大小也成周期性的变化,这正反映了原子的振动规律性.通过对氦离子、氦原子内旋转运动着的电子在发射不同频率的电磁波时的运动瞬时速度和轨道半径的实测、研究,发现氦原子的外层电子电离后,内层电子将作减速运动,并且内层电子的轨道半径将变大.氦原子内、外层电子在发射不同频率的电磁波时,所处的位置、运动速度均不相同;所发射的电磁波频率并非以其所在轨道半径的大小而成比例地增大或减小.实测证明:电子发射电磁波频率的大小只取决于电子作减速运动的负加速度的大小.在每一个小周期内,电子发射两次电磁波,电子发射电磁波时,在一个位置上的运动速度较快,而在另一个位置上则较慢,即电子时而加快,时而又减慢;电子时而靠近原子核,进而又远离原子核,电子围绕原子核的运动半径R成周期性的变化,同时,电子旋转运动速度的大小也成周期性的变化.以上所测氢原子内电子的旋转运动轨道平均周期是:0.79097372～1.98414850×10-17 s(注:1飞秒=10-15 s);以上所测氦原子内电子的旋转运动轨道平均周期是:4.764819～114.76487×10-22 s.

基于真空中单电子运动模型,编程计算得到了高斯激光脉冲与初始位于激光传播轴上电子的相互作用结果。不同激光参量条件下,得到了电子的能量增益与激光强度、焦斑大小和脉冲宽度关系。结果表明,高斯激光脉冲焦斑较大时,电子没有明显的能量增益,高斯激光脉冲焦斑太小时,电子也没有明显的能量增益。电子的能量增益有一个最佳焦斑大小。在相同激光强度下, 电子能量增益的最佳焦斑大小随脉冲宽度的增大而增大,但最佳焦斑大小与脉冲宽度的比值基本上是不变的。