自由电子激光振荡器的二维数值模拟

在柱二维坐标系中,用数值计算方法求解了摇摆器内电子模拟方程组、光场方程组和无源区(不含摇摆器区)经非自适应方法变换后的无源旁轴波动方程并设计了相应的程序R_2D。用该程序计算的数值结果表明,在有源条件下二维数值模拟结果与高斯光束近似下的数值模拟结果符合较好;取完全相同的计算条件R-2D程序与洛斯阿拉莫斯实验室(LANL)的FELEX程序的计算结果符合较好;初步认为LANL实验数据的物理图象合理,数值结果基本可信;最后给出北京自由电子激光器(BFEL)的一些物理数据。     

一种超高速发射实验装置的改进及其数值模拟

 以流体比容方法和三阶PPM方法为基础，给出了适用于三级气炮超高速发射过程数值模拟的多流计算方法和计算代码MFPPM。利用Sandia实验室一系列的实验装置及其结果对计算代码进行了验证和确认，获得了较好的数值模拟结果（其中最大相对误差为1.07%），同时对冲击波物理与爆轰物理实验室设计的实验装置进行了数值模拟，计算结果与实验结果相差1.04%。为了更好地满足超高压下材料状态方程的测量，提出了一种带汇聚型的改进装置设计，并给出了相应的数值模拟结果。     

激光线聚焦驱动平面银靶的二维数值模拟

介绍新研制的二维非平衡辐射流体力学程序XRL2D的物理方程以及计算方法,并对神光Ⅱ上典型的类镍银X光激光实验条件,用3种ALE计算方法模拟了预主脉冲线聚焦驱动银平面靶的流体运动.几种方法模拟给出的物理图像清晰且相似,类镍离子丰度分布呈弯月形,同实验上XRL场图呈弯月形分布一致.对3种计算方法给出的结果进行了细致的比较分析.     

重入式谐振腔电磁场建立的瞬态物理过程

 采用理论推导、计算模拟和实验测量3种方法,对重入式谐振腔电磁场稳态建立的瞬态物理过程进行研究,得到的结果相一致。阐明了电磁场建立的瞬态物理过程,结果显示：电磁场稳态建立时间与谐振腔的固有谐振频率成反比,与品质因子成正比;仿真模拟和理论计算偏差小于0.8%,实验测试和理论计算偏差小于2.5%。     

阳极杆箍缩二极管的理论模型及物理特性

闪光X射线源是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段,阳极杆箍缩二极管(RPD)作为其重要组成部分之一,直接影响闪光X射线源照相质量。研究RPD物理特性对二极管物理结构优化设计及实验调试具有重要意义。分析了RPD空间电荷限制、弱箍缩和磁绝缘阶段物理模型。基于PIC模拟技术,编写了计算程序,研究了RPD不同阶段的电子电流、离子电流及电子束箍缩物理特性。通过理论分析,获得了特定几何结构RPD物理模型修正系数及各个阶段离子电流与电子电流比,验证了粒子模拟代码的有效性。模拟结果表明:空间电荷限制阶段,粒子模拟结果与双极性流计算结果一致;在弱箍缩和磁绝缘阶段,粒子模拟得到的总电流与磁绝缘模型计算结果一致,且与文献给出的经验拟合表达式计算结果一致;磁绝缘阶段离子电流与电子电流之比与电压和二极管几何结构相关,给出了离子电子电流比增大系数η与电压和阴阳极半径比的关系,该系数受电子、离子在不同结构二极管渡越时间的影响,随电压和阴阳极半径比增加而逼近恒定值。     

有限球中14MeV中子点源问题的数值模拟

点源问题的物理实验与数值计算是研究反应堆防护和辐射效应,考查中子参数和计算方法的重要手段。本工作解决了有限元节点上的加源问题,并对几个典型的14MeV中子点源问题的物理实验,用双向间断有限元法进行了数值模拟,并和其它方法的计算结果及物理实验的测量结果进行了比较,取得了较为满意的结果。     

高温堆球流模拟在堆物理中的应用

介绍了高温气冷球床反应堆物理计算中燃料元件流动特性模拟的方法,对10MW高温堆进行了计算,与未考虑堆芯中燃料曲线流动的简化计算结果进行了比较。     

二维混合模拟方法及应用

设计了一个二维混合模拟程序,并用其计算了等离子体物理中的束流不稳定性.结果表明,此程序在计算过程中使能量基本保持守恒,计算结果同理论分析及一维混合模拟结果相一致.     

间接馈电柱-锥级联爆磁压缩发生器数值模拟

为了研究间接馈电、两级级联柱-锥构型的爆磁压缩发生器的物理特性，发展了描述爆磁压缩物理过程的2维爆轰磁流体力学程序——MFCG（Ⅴ），并用其分析、计算了一系列模型。通过将计算结果与柱-柱构型的结果进行比较，表明了柱-锥构型更有利于功率放大:在同样的输出电流条件下，不仅爆磁压缩的时间缩短，而且输出功率也相应地增加。MFCG（Ⅴ）程序的建立以及相应的数值模拟结果有助于加深对柱-锥构型的爆磁压缩发生器物理过程的认识，并为实验设计提供参考。     

间接馈电柱-锥级联爆磁压缩发生器数值模拟

 为了研究间接馈电、两级级联柱-锥构型的爆磁压缩发生器的物理特性，发展了描述爆磁压缩物理过程的2维爆轰磁流体力学程序——MFCG（Ⅴ），并用其分析、计算了一系列模型。通过将计算结果与柱-柱构型的结果进行比较，表明了柱-锥构型更有利于功率放大：在同样的输出电流条件下，不仅爆磁压缩的时间缩短，而且输出功率也相应地增加。MFCG（Ⅴ）程序的建立以及相应的数值模拟结果有助于加深对柱-锥构型的爆磁压缩发生器物理过程的认识，并为实验设计提供参考。     

Feasibility Study of Axially- Extracted Virtual Cathode Oscillator

In this paper, we have analyzed the design parameters of the axially - extracted virtual cathode oscillator, which is high-power microwave source based on the concept of the virtual cathode associated with the intense relativistic electrons beam oscillations in the electrostatic potential well. The microwave emission by the virtual cathode oscillator results from both the space and time oscillations of virtual cathode and reflexing electrons trapped in the potential well between the virtual and real cathodes. In the X-band frequency spectrum 700 MW microwave peak power has been obtained analytically by the solid electron beam of 300 kV and 20 kA for feasible design parameters. The analysis has been performed by 2-dimensional, relativistic, electromagnetic particle-in-cell simulation code XOOPIC.     

新型高功率虚阴极径向反射速调管振荡器

 提出了一种新型的高功率虚阴极径向反射速调管振荡器,它结合了虚阴极振荡器容易起振和速调管微波产生效率较高的特点。利用虚阴极反射电子束对调制腔的正反馈,可以减小起振电流和起振时间,而且提高了微波产生效率。它是一种结构简单、紧凑的器件。用2.5维PIC程序对这种器件进行了数值模拟研究。得到的数值模拟结果表明,输入电压620 kV,电流25 kA,输出微波周期平均功率为2.5 GW。虚阴极振荡频率被锁定,频率为1.25 GHz。     

预调制型同轴虚阴极振荡器数值模拟

提出一种高效率预调制型同轴虚阴极振荡器,进行了数值模拟研究。研究表明:径向束流预调制型同轴虚阴极振荡器利用在束-波互作用区加载金属圆环形成谐振腔,改变束-波互作用区的电场,对电子束进行调制。圆筒形金属形成的调制腔产生的电场既对电子束进行了调制,同时对微波频率进行了锁定,其谐振频率主要是由加载的金属圆筒的长度和两个圆筒之间的径向距离决定。经过优化设计,在600 kV,73 kA无外加引导磁场的条件下,预调制型同轴虚阴极振荡器获得了平均功率6 GW,频率为2.575 GHz的微波输出,效率达到13.94%。     

Power of microwave generation in an ultrarelativistic electron beam in the regime of virtual cathode formation in an externally applied magnetic field

A numerical study of the output power characteristics of microwave radiation from a relativistic electron beam (REB) with a virtual cathode in the presence of externally applied longitudinal magnetic field is performed. Typical dependences of the output microwave power of the relativistic vircator system on the external magnetic field strength are obtained, showing a number of local maxima. It is found that the characteristic behavior of the radiation power is determined by the conditions and mechanisms of virtual cathode formation in the presence of external longitudinal magnetic field and a self-magnetic REB field.     

3cm相对论返波荡器的粒子模拟研究

 运用全电磁的相对论的25维粒子模拟程序MAGIC模拟分析了3cm相对论返波管中注波互作用的非线性过程，得到了器件微波输出功率，效率，工作频率等参量，模拟结果与实验数据较好地一致。对电子注特性参数，慢波结构尺寸，引导磁场进行了优化，获得了器件最佳化运行的工作参数。     

向内发射同轴虚阴极振荡器理论分析与数值模拟

 针对向内发射同轴虚阴极振荡器进行了1维理论分析，给出了电流电压关系的数值解，估算了同轴漂移区空间电荷限制流及虚阴极位置；同时使用MAFIA程序进行了全3维PIC数值模拟研究，通过调节阴极电子发射区与阳极反射板之间距离进行了一系列计算，得到了圆波导中各传输模式频谱及功率。结果表明，尽管使用圆周对称的同轴结构，输出模式中TE₁₁和TM₀₁仍占主导地位，两种模式共同存在，相互竞争。在最佳情况下，当二极管电压为250 kV，电流为20 kA时，得到了微波输出总功率最高为740 MW，功率效率超过10%，主频为3.18 GHz，同时含有较强TE₁₁和TM₀₁模式成分的微波输出。     

The effect of an external signal on output microwave power of a low-voltage vircator

This Letter is devoted to results of the both experimental and theoretical studies of electromagnetic radiation output power gain in the low-voltage microwave generator with a virtual cathode (vircator) under an external harmonic signal leading to the preliminary velocity modulation of the electron beam. The simple theoretical model of the electron beam with virtual cathode in a diode gap with retarding field under the external signal has been developed. The theoretical and numerical analysis have shown the possibility of power amplification in the vircator under the external influence. Obtained results of the theoretical consideration are proven by the experimental study.     

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%。     

Optimization of the parameters of a virtual-cathode oscillator with an inhomogeneous magnetic field

A two-dimensional numerical model is used to study the generation of powerful microwave radiation in a vircator with an inhomogeneous magnetic field applied to focus a beam. The characteristics of the external inhomogeneous magnetic field are found to strongly affect the vircator generation characteristics. Mathematical optimization is used to search for the optimum parameters of the magnetic periodic focusing system of the oscillator in order to achieve the maximum power of the output microwave radiation. The dependences of the output vircator power on the characteristics of the external inhomogeneous magnetic field are studied near the optimum control parameters. The physical processes that occur in optimized virtual cathode oscillators are investigated.