W波段连续波30 kW回旋振荡管高频系统和收集极的设计

 根据回旋管的电子回旋脉塞理论,借助于编写的回旋振荡管自洽非线性注-波互作用计算程序,设计出了工作频率94 GHz、工作电压30 kV、工作电流3 A的基次谐波连续波单腔回旋振荡管,工作模式为TE02模。设计的回旋振荡管在电压30.0 kV、电流3.0 A、速度横纵比1.5的条件下,获得了31.8 kW的输出功率,电子效率约35％。利用粒子模拟仿真软件对设计的回旋管收集极辅助线包散焦系统进行了粒子模拟仿真分析,模拟结果表明：借助于辅助线包散焦系统可以有效缩短回旋振荡管的轴向尺寸,并使回旋管收集极上的电子束功率密度低于500 W/cm2; W波段回旋振荡管收集极的热测试验结果表明：利用粒子模拟仿真获得的收集极上的电子束功率密度分布与其试验测量结果比较吻合。     

回旋振荡管收集极横向磁扫描系统的设计与仿真

从降低收集极表面峰值功率和平均功率入手,设计了一种由12个横向椭圆交流线圈和2个轴向直流线圈组成的磁场扫描系统。针对140 GHz、TE_28,8模、1 MW功率输出回旋振荡管收集极的设计参数,结合电磁场理论和带电粒子电磁软件仿真,获得收集极表面上电子注的峰值和平均功率密度分别不超过404.91 W/cm2和244.01 W/cm2,以及扫描长度达到443.33 mm的扫描效果,有效地缓解了收集极功率耗散和冷却的压力。     

回旋行波管收集极的热分析

为解决回旋管行波管收集极的散热问题,保障回旋行波管工作的可靠性和稳定性,利用CST电子仿真软件模拟出电子在回旋行波管中的运动轨迹,并因此确定了进入收集极的电子注的初始条件。利用ANSYS有限元软件对回旋行波管收集极的散热特性进行详细的模拟计算,分析比较了不同热流密度加载方式对收集极温度分布的影响。采用非均匀热流加载方式探究了水温和流速对收集极温度的影响,并对收集极的散热翼片的数目和尺寸进行了优化,最终得出了比较理想的结构。模拟结果优于经验值,说明了所用模型和方法的正确性。     

W波段扩展互作用器件均匀磁聚焦电子光学系统

扩展互作用器件,采用三个线圈和一个磁极实现均匀磁场分布。根据理论计算采用有限元法磁学(FEMM)仿真软件对所求磁场进行了建模分析,依据FEMM计算的磁场结合静电电子枪,采用CST仿真软件对高电流密度、高压缩比的电子注在均匀聚焦磁场的作用下传输进行优化。经过计算得出,在工作电压为17 kV、阴极发射电流密度小于10 A/cm2的条件下,由皮尔斯电子枪发射的电子注在均匀磁场的聚焦作用下传输良好,通过率为100%,得到了导流系数为0.175μP的电子枪,在均匀磁场区形成了高电流密度、高压缩比的电子注,平均电流密度达到343.17 A/cm2,压缩比为32,电子注横纵速度比为7.2%。     

大功率行波管两级降压收集极的设计

主要介绍了某X波段大功率耦合腔脉冲行波管两级降压收集极的CAD分析、结构设计及研制结果。通过使用国营第七七二厂2.5维互作用程序软件包(TWTC软件)对行波管输出端96条电子轨迹的半径,轴向、径向速度模拟并分析,判断电子注层流性情况,然后对两级降压收集极进行光学设计、结构设计和热分析,装管验证结果表明:实测值结果与理论计算的两级降压收集极各电极电流分配比例、收集极效率等参数接近。     

行波管收集极的热分析

 随着行波管的大功率小型化，收集极的温度分布和采用的散热手段对行波管的正常工作有很大影响。利用ANSYS软件对行波管收集极的散热问题进行详细的模拟计算，分析比较了不同热流加载方式对收集极温度分布的影响。采用均匀热流加载定性地比较计算了自然冷却、风冷、单层水套和双层水套等不同散热条件下收集极的热耗散功率，计算结果与经验值一致，说明了所用模型和方法的正确性。模拟分析为行波管收集极的散热方案优化设计提供有效的参考依据和手段。     

冷链食品包装箱表面消毒灭菌小型电子帘加速器的研制

研制了冷链食品包装箱表面辐照消毒灭菌成套装置,重点针对装置的核心部件小型电子帘加速器进行设计和调试,应用E-gun电子束轨迹跟踪程序对加速器的束流光学进行了计算,合理设计了栅极和聚焦极形状,获得了对束流包络的理想控制,应用多物理场仿真软件CST进行高压结构优化,使电子帘阴极表面高压区电场分布均匀,降低了打火几率。对电子帘加速器进行了整机调试,针对调试中出现的高压打火现象进行了分析,并给出了结构优化设计方案,使得最终调试主要技术参数达到了140 keV/20 mA,束流不均匀度小于10%。通过了连续8 h稳定性运行测试,达到了工业加速器辐照应用标准。     

冷链食品包装箱表面消毒灭菌小型电子帘加速器的研制

研制了冷链食品包装箱表面辐照消毒灭菌成套装置,重点针对装置的核心部件小型电子帘加速器进行设计和调试,应用E-gun电子束轨迹跟踪程序对加速器的束流光学进行了计算,合理设计了栅极和聚焦极形状,获得了对束流包络的理想控制,应用多物理场仿真软件CST进行高压结构优化,使电子帘阴极表面高压区电场分布均匀,降低了打火几率。对电子帘加速器进行了整机调试,针对调试中出现的高压打火现象进行了分析,并给出了结构优化设计方案,使得最终调试主要技术参数达到了140 keV/20 mA,束流不均匀度小于10%。通过了连续8 h稳定性运行测试,达到了工业加速器辐照应用标准。     

电子能量对收集极中电子束能量沉积的影响北大核心CSCD

理论分析了收集极中运动电子的失能机制和电子能量对电子束能量沉积的影响,用蒙特卡罗方法计算了不同能量下入射电子的能量沉积分布,分析了电子能量对电子束在收集极中能量沉积的影响,并据此提出了提高收集极耐电子束轰击能力的两种途径。结果表明:激发和电离是收集极中入射电子的主要失能机制;电子的能量越高,在材料中的穿透能力越强,收集极中被收集电子束的最大能量沉积密度越低。综合考虑束流密度分布对能量沉积的影响,可通过两种途径来提高收集极耐电子束轰击的能力:一是通过结构设计增大电子束的收集面积,减小收集极上被收集电子束的束流密度;二是设计高阻抗器件,增大被收集电子束的电子能量,减小收集极上被收集电子束的束流密度。     

脉冲激光辐照GaAs材料热效应研究

为了研究脉冲激光辐照GaAs材料的热效应,采用软件COMSOL Multiphysics构建了高斯脉冲激光辐照半导体材料的温升物理模型,分析了1 064nm纳秒级脉冲激光辐照半导体材料GaAs的热效应.通过求解热传导方程计算了不同功率密度激光辐照GaAs材料的径向与纵向温度场分布,讨论了单光子吸收、双光子吸收及自由载流子吸收对辐照材料的温升贡献.计算结果表明:当激光功率密度升至1010 W/cm2,自由载流子对材料的温升贡献已超过单光子吸收对材料温升的贡献而占主导位置;当激光功率密度降至108 W/cm2以下时,两种非线性吸收对材料温升的贡献可以忽略.该结果与相关实验基本相符,表明了构建的物理模型具有科学性.     

Thermionic Cathode Electron Gun for High Current Densities

An electron gun using lanthanum hexaboride (LaB6) as a cathode material is being studied for use as a robust thermionic emitter at high cathode current densities. It has a standard planar cathode, Pierce-type electron gun design with a space-charge-limited perveance of 3.2 × 10-6 A/V3/2. Thus far it has been operated up to 36 kV in the space-charge-limited regime. The cathode is heated by electron bombardment and radiation from an auxiliary tungsten filament. The total heating requirement is found to be 202 W/cm2 of cathode area at a cathode temperature of 1626°C. These observations are found to be in reasonable agreement with a thermal steady-state power balance model. Beam current distribution measurements are made with a movable collector and Faraday cup, and are found to be in agreement with an electron-gun computer code. The cathode temperature distribution is also measured.     

新型热阴极电子枪加热结构热分析

利用ANSYS和COMSOL仿真模拟软件,对热阴极电子枪的加热结构进行热分析,得到了阴极加热结构设计的一些规律,然后通过实验对一系列加热结构进行阴极温度测试,进一步验证模拟计算的结果,得到了一种加热效率比较高的结构。该结构在加热功率为100 W时,阴极温度超过了1 900 K,达到了铱铈阴极的工作温度。在阴极温度1 800 K左右,阴极表面引出电场强度为3.6×106V/m的条件下,该阴极的最大发射电流达到1.04 A,发射电流密度约13 A/cm2。     

电子束在相对论返波管振荡器收集极上的能量沉积

在圆周对称的磁场作用下,环形电子束以一定角度轰击在圆柱面的相对论返波管振荡器(RBWO)收集极上并将能量沉积其中,采用蒙特卡罗程序FLUKA,建立了电子的能量沉积分布计算模型,研究了电子能量沉积分布规律;建立了背散射电子的运动模型,模拟了磁场作用下背散射电子的运动轨迹;研究了圆周对称径向磁场的近似方法。研究结果表明:随着磁场强度的增大,最大能量沉积密度增大,背散射电子在更靠近电子束入射区域的位置再次入射并沉积能量,且可能形成一个新的能量沉积峰值。在磁场强度较大时,采用单向的径向磁场即可较好地计算圆周对称径向磁场下背散射电子的能量沉积分布。     

A new approach for evaluating the current and charge density distributions in electron guns and beams

Current and space-charge density distribution calculation is of great significance for numerical analysis and design of high-current electron guns and beams. When the electrons’ thermal initial velocities are taken into account, though there have been some numerical methods published, the calculation is very complicated. By introducing equivalent meridional potential and projection trajectory theory, the curvilinear axis trajectory equation for electrons neighboring to a central curved trajectory in rotationally symmetric electro-magnetic fields is derived in first- and second-order approximations. The evolution equation of the current density distribution of toroidal electron sub-beams is derived and it can be used to calculate the current and charge density distribution in electron beams and guns in iteration calculation. A compact numerical algorithm for calculating round high-current electron guns and beams was developed and related program was written as well. As examples, the evolution of the current density distribution of a Pierce gun and a periodic magnetic focusing high-current electron beam is simulated. This proves that this method is effective and practical.     

Integrated design of depressed collectors for gyrotrons

In order to obtain optimum collector efficiency and to control the electron trajectories in the collector region the design process for depressed collectors has to take into account several interlinked parameters. A flow diagram is presented for a systematic design procedure which integrates the various steps. A library of computer codes has been developed to assist in different stages of design. Among the key elements is a code that generates contours of effective potential and helps to define the regions of accessibility for electrons. These contours and the lines of magnetic flux can be drawn against the backdrop of the collector geometry. The different control parameters can be varied and their effect on the contours studied interactively. The search area for optimum parameters is thus considerably reduced. Additional codes make it possible to evaluate each design in terms of collector efficiency, division of beam current between different collectors, and the heat dissipation density profile. Using these codes, a design has been developed for a two-stage depressed collector for a 1-mW, 110-GHz gyrotron yielding a collector efficiency of 68%     

高气压空气环状感性耦合等离子体实验研究和参数诊断

等离子体的电子密度分布, 电子碰撞频率分布, 覆盖面积, 厚度是影响其覆盖目标电磁散射特征的关键属性. 对此, 本文开展了在20 cm×20 cm×7 cm石英腔内感性耦合等离子体(ICP)的放电实验, 观察了在高气压条件下, 空气ICP的环形放电形态, E-H模式跳变现象和分层结构, 测量了其电负性核心区和电正性边缘区宽度和厚度随功率、气压的变化趋势, 并通过COMSOL Multiphysics对平板线圈磁场强度分布的分析和电负性气体扩散理论给予上述现象合理的解释, 同时, 利用微波透射干涉法测量了核心区域的电子密度随功率和气压的变化曲线, 利用理论模型计算了边缘区域的电子密度分布, 最后通过辅助气体Ar发射谱线的玻尔兹曼图形法得到了核心区和边缘区的电子激发温度.     

介质窗横向电磁场分布下的次级电子倍增效应

本文利用自编P3D3V PIC程序, 数值研究了BJ32矩波导传输TE₁₀模式高功率微波在介质窗内、 外表面引发的次级电子倍增过程, 给出了次级电子3维空间位置分布特征、介质窗表面法向静电场分布规律以及电子数密度分布特性. 模拟结果表明: 对于介质窗内侧, 微波强场区域率先进入次级电子倍增过程; 而对于介质窗外侧, 则是微波弱场区域优先进入次级电子倍增过程. 形成机理可以解释为: 微波坡印廷矢量方向与介质窗外表面法向相同而与内表面法向相反, 内侧漂移运动导致强场区域电子易于被推回表面, 有利于次级电子倍增优先形成; 外侧漂移运动导致强场区域电子易于被推离表面, 不利于次级电子倍增形成. 准3维模型相对1维模型: 介质窗内侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间长、饱和次级电子数目少、平均电子能量高、 入射微波功率低、沉积功率低; 介质窗外侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间短、饱和次级电子数目少、平均电子能量低、 入射微波功率低、沉积功率低. 沉积功率与入射微波功率比值与微波模式、强度及介质窗内外侧表面关系不大, 准3维和1维模型计算结果均在1%–2%左右水平. 关键词： 高功率微波 介质表面次级电子倍增 粒子模拟 横向电磁场分布     

氩气/空气ICP放电现象研究和基于H_β光谱展宽的微波干涉电子密度诊断方法

闭式腔体ICP是解决飞行器等离子体局部隐身的可行方案,其电子密度Ne在电磁波入射方向上的分布是影响其电磁波衰减效果的关键因素。对此,开展了在30.8cm×30.8cm×5.8cm石英腔体内的ICP放电实验,通过实验研究了空气/氩气ICP的E-H模式跳变的物理现象,通过测量得到了空气/氩气环状ICP的宽度和覆盖面积比例随电源功率变化的规律,并给出了上述实验现象的理论解释。为了得到平面型ICP的电子密度在微波入射方向的分布,提出基于Hβ光谱展宽的微波干涉分布诊断法,分别对平面真空腔室内空气/氩气ICP的电子密度在电磁波入射方向上的分布进行了诊断,通过H_β(486.13nm)Stark展宽拟合和微波干涉过程分别获取电子密度分布函数的两项参数,得到了电子密度分布随放电功率变化的曲线。实验可得到电子密度范围为0.5×10~(11)~3.2×10~(11) cm~(-3)的环状ICP源,实验结果表明,ICP的电子密度受气体种类,射频功率影响较大,峰值电子密度接近ICP的中心位置,通过比较发现,氩气的电子密度较高,有效拟合区域较窄,空气的有效拟合区域较宽,覆盖面积较大。     

电子束收集极对大间隙速调管输出腔效率的影响

 利用高频电磁软件对带电子束收集极的S波段大间隙输出腔进行了高频特性分析,采用3维PIC程序模拟了电子束收集极对大间隙速调管输出效率的影响。研究结果表明：收集极的存在会改变输出腔的本征谐振频率和电子束路径上的特性阻抗等高频特性,但收集极可以短路间隙附近的径向电场,减小电子束的空间电荷压力,同时对群聚电子进行再加速,从而提高大间隙速调管的输出效率;在束电压700 kV,直流电流6 kA时,优化后的带收集极的大间隙输出腔可稳定提取大于1.68 GW的微波功率,提取效率约40.1%,比无收集极时提高约5%。