磁绝缘线振荡器中高阶模式的3维数值模拟

 为了解高频MILO实验中高阶模频频出现的原因并考察其对MILO器件性能的影响,利用二次开发的3维全电磁粒子模拟程序KARAT对C波段MILO器件进行了模拟研究。在存在非对称激励的情况下由束波互作用可直接导致高阶模的产生,发现了可与实验中高阶模现象比拟的高阶模,并对其中频率为4.01 GHz的模式做出判定,认为此模式是由非对称的电子和场在互作用腔中相互作用产生的高阶TM11模,并经同轴线传输转化得来。对于频率为3.67 GHz和4.53 GHz的另两高阶模目前尚不能判断。     

L波段高阶模抑制型磁绝缘线振荡器研究

根据磁绝缘线振荡器(magnetically insulated transmission line oscillator, MILO)中基模(TM₀₀模)与临近高阶模(HEM₁₁模)高频场分布的区别,采用破坏各腔之间HEM₁₁模π 模谐振条件的方式抑制器件中高阶模产生的方法,提出了高阶模抑制型MILO. 运用三维全电磁粒子模拟软件对高阶模抑制型L波段MILO器件进行模拟研究, 数值模拟结果表面该方法能够抑制器件中HEM₁₁模的产生.在此基础上对器件进行了对比性实验研究, 实验结果表明高阶模抑制型器件能够抑制HEM₁₁模的产生,稳定工作在基模.     

L波段硬管磁绝缘线振荡器的研制

 对L波段磁绝缘线振荡器(MILO)的二极管进行了研究，优化了器件的设计，以及辐射天线一体化的设计，研制出了L波段硬管 MILO。硬管MILO的实验结果是：在电压为450 kV、电流为35 kA的条件下，L波段硬管 MILO的输出微波频率为1.22 GHz，功率大于1.5 GW，微波脉宽半高宽约20 ns，功率效率约10%；硬管MILO的保真空时间超过了5 h。     

利用负载电流产生微波的新型MILO

 为了进一步提高MILO产生微波的功率和效率，提出了其负载电流能量全部利用来产生微波的新思想。设计并运用二维全电磁PIC方法模拟了基于此思想的新型MILO，它是传统MILO与VCO的有机结合(简称MVO)。模拟结果表明MVO中MILO部分与作为MILO负载的VCO部分各自工作正常，VCO部分产生微波的主频受MILO部分产生微波的牵引。在输入25GW电功率（工作电压约500kV）下，与相应传统MILO相比，MVO的微波平均输出功率提高了500MW，效率从6%提高到了8%。     

磁绝缘线振荡器阴极释气电离粒子模拟

阴极释气电离产生的击穿现象是限制磁绝缘线振荡器(MILO)工作性能的一个可能因素,也是限制其重频运行的主要障碍。利用三维全电磁粒子模拟程序对高功率微波器件MILO中阴极释气电离现象的物理建模技术以及实现三维自洽运算所需的粒子模拟技术进行了分析研究。对不同相对释气率的情况进行了模拟计算,模拟计算结果表明,当释气率超过一定阈值时,电离导致的等离子体会使微波输出功率迅速下降。     

平面磁绝缘线振荡器的作用机理及模拟设计

针对当前高功率微波(HPM)中的热点器件磁绝缘线振荡器(MILO) 频率低、效率低等问题,提出了一种可以沿x方向平面展开的平面MILO。该器件也是一种低阻抗高功率微波器件,通过一个低外加磁场来代替常规MILO中的磁绝缘电流,辅助实现器件的磁绝缘,从而实现器件效率的提高。结合PIC模拟,建立一个外加低磁场的C波段平面MILO,并根据其慢波结构(平面折绉表面)特点给出相应的色散曲线,确定微波器件工作点,利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟,在输入为4.0 GW电功率(工作电压约800 kV)的条件下,模拟得到频率为6.56 GHz的微波输出,通过优化外加磁场,使得模拟微波输出功率达到1.22 GW,功率效率在C波段条件下超过30%。     

X波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

 在对磁绝缘线振荡器（MILO）慢波结构色散特性进行理论分析的基础上,结合负载限制型和渐变型MILO的特点,对X波段MILO慢波结构、阴极和中心阳极进行了设计。利用2.5维全电磁PIC程序进行粒子模拟,研究了输出功率与结构参数之间的关系,进一步优化MILO结构。在外加电压为510 kV,束流43 kA情况下,模拟得到平均功率2.83 GW的微波输出,中心频率为8.2 GHz,功率转换效率12.9%。     

磁绝缘线振荡器重复频率运行真空系统优化

为改善一种L波段磁绝缘线振荡器（MILO）重复频率运行时的真空环境,建立了器件在分子流下的抽气模型,采用Monte-Carlo方法对阴极脉冲放气后的瞬态抽气过程进行了模拟计算,获得了不同时刻气体分子在MILO内部的3维分布情况,并据此提出了一种分布式抽气方案,即在MILO靠近气源的微波传输区增加一抽气单元,以缩短脉冲间隔内的抽气时间。在Torch-01调制器上开展了MILO分布式抽气的实验验证,结果显示,分布式抽气时的气压下降特征时间为单泵的0.22倍,与模拟结果基本一致;初步的重复频率测试也表明分布式抽气能够缩短脉冲串间隔内的抽气时间以保持器件运行时的真空水平。在所给实验条件下,从真空的角度,分布式抽气能够使MILO有效运行的重复频率数提升至单泵抽气时的5倍。     

双阶梯阴极型磁绝缘线振荡器设计与模拟

 结合负载限制型磁绝缘线振荡器（MILO）和渐变型MILO的特点,提出了一种新型双阶梯阴极型MILO。该器件前2个叶片为扼流片，中间3个叶片为主作用叶片,后面1个为提取叶片，在电流发射区与慢波结构径向相对的阴极部分分为3段，形成双阶梯阴极结构。根据Maxwell方程和Floquet定理导出其色散方程，并对其振荡主频作了理论分析。2.5维粒子模拟表明，器件工作频率为1.21 GHz，与理论预测相符，双阶梯的引入，对器件阻抗和振荡频率影响较小。在工作电压458 kV、电流40.5 kA条件下，双阶梯阴极结构将MILO输出功率从2.20 GW提高到2.88 GW，功率转换效率从12.0%提高到15.5%。     

L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器的粒子模拟与实验研究

对L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器(MILO)进行了粒子模拟,在输入电压710 kV,电流56.6kA条件下,得到微波输出功率为4.8 GW,微波频率1.22 GHz。根据模拟结果设计MILO实验装置并开展实验研究,介绍了测试方法与测试系统,并对辐射微波功率、频率和模式进行了测量。在二极管电压740 kV,电流61 kA条件下,测得辐射微波功率为3.57 GW,微波脉宽46 ns,微波频率1.23 GHz,功率转换效率8%,辐射微波模式为TM01模。     

一种高功率微波源真空在线测量

针对磁绝缘线高功率微波振荡器(MILO)的静态保真空和重频运行,设计了一种真空度在线测量系统及其组件,优化了常规的测量方法,实现了真空度的实时监测和数据采集。基于30 GW高功率脉冲平台,以硬管化MILO微波源为负载,开展了加电运行条件下微波源内真空度的实时在线测量。实验结果表明:研制的真空在线测量组件具有较强的抗电磁干扰能力,能够准确获得高功率微波源运行过程中的本底真空度及脉冲放气特性。     

向内发射磁绝缘振荡器

提出了一种向内发射磁绝缘振荡器,并给出了微波轴向提取的方法。这种新型结构通过外置阴极、内置阳极,使参与束波作用的轮辐电流通过阳极回流提供了自磁绝缘的角向磁场,有提高器件效率的可能。而外置阴极使阴极的发射面积增大,发射电流密度减小,有利于延长阴极寿命。通过粒子模拟,得到了几何参数与磁绝缘线振荡器输出功率的关系。在电压890 kV,电流56.1 kA下,输出功率为3.6 GW,频率为8.2GHz。     

磁绝缘线振荡器阴极烧蚀与电压波形的关系研究

通过粒子模拟和实验研究相结合的方法,研究了磁绝缘线振荡器的阴极烧蚀与输入电压波形的关系,找到了造成阴极烧蚀的根本原因,给出了电子束回轰阴极的清晰图像,并通过对低阻抗加速器平台输出电压波形的调整,抑制了反向电压,解决了器件的阴极烧蚀问题.研究结果表明:在正向电压作用下已经发射出来的电子束在超过一定幅度的反向电压作用下发生反向运动并回轰阴极,产生反向电流并造成器件阴极的烧蚀,因此注入电压下降沿之后的反向电压是引起磁绝缘线振荡器的阴极烧蚀的最根本因素.     

MILO物理分析与数值模拟

 用二维全电磁PIC方法模拟了空军实验室的磁绝缘传输线振荡器(MILO),分析了MILO的物理图象。在外加电压为500kV与电流60kA时,在L波段获得了1.5GW数值模拟结果,与实验结果符合较好。特别研究了MILO的各参数变化对其运行的影响,得到了一些有价值的物理规律。     

HEM11模磁绝缘线振荡器的高频分析

作为小型化和紧凑型的高功率微波源,磁绝缘线振荡器(MILO)在过去十几年里得到了广泛的研究和发展.在大多数研究中,最低的对称模一直被当作器件的主模.然而,由于结构的对称性或者电子发射均匀度不理想等原因,很容易激励起非对称模式.计算了MILO同轴结构中同时包含对称模和非对称模的本征方程.在此基础上,通过对结构的优化设计,提出了一种HEM₁₁模工作的MILO,并开展了原理性实验.在二极管的电压为480kV,电流为39kA条件下得到了功率为1.2GW,脉冲宽度为40ns的微波输出,功率转换 关键词： 磁绝缘线振荡器 高频特性 11模')" href="#">HEM₁₁模 开放腔     

磁绝缘线振荡器内气体碰撞电离数值模拟

针对气体碰撞电离过程,介绍了蒙特卡罗碰撞（MMC）的处理方法,利用MMC方法编写了气体碰撞电离模块,将其移植到3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE之中,模拟了充有He气的磁绝缘线振荡器（MILO）。模拟结果表明:当He气密度较低时,电离的正离子由于较重无法自由移动,形成了正离子通道,可以有效中和电子束空间电荷场,有利于电子束传输和群聚,提高了束波互作用效率,微波输出功率得到了明显提高,起振时间也有所缩短;当进一步增加He气密度时,电离碰撞增强,电子和离子数目会雪崩式增长,电子束由于碰撞增强而导致能散度增大,其负效应已经远大于中和空间电荷场的正效应,反而不利于电子束的群聚和共振,从而导致输出微波功率降低乃至截断,起振时间缩短是由于其在非雪崩阶段的正效应积累所致,但是随着负效应的增强起振功率不能得以维持,二极管最终将闭合。另外,还模拟了MILO填充空气、水蒸气及二氧化碳等多原子、多组分气体的碰撞电离物理过程。模拟结果显示,同压强情况下,填充空气、水蒸气及二氧化碳的脉冲缩短现象要比填充He气等较低原子序数气体的情况严重得多。     

层间稀薄气体传热对多层绝热材料性能的影响分析

通过建立的热量传递模型,分析了不同的气体稀薄程度(Knudsen数)时,气体传热对多层绝热材料有效热导率和各层温度分布的影响。分析表明:由多层绝热材料真空度变化引起的稀薄气体传热量波动较大,在10—60层/cm层密度范围,真空度低于100Pa时,Kn数属于自由分子状态区域和中间压强区域,此时材料的有效热导率随残留气体热适应系数的增大而减小,并随着真空度的降低而增大;当残留气体为空气时,为保证多层材料的绝热性能,尽量维持真空度不低于10-2Pa。同时分析表明,为有效降低低真空下稀薄气体传热对多层绝热性能的影响,可以采用综合热适应系数较低的气体置换夹层中的空气,以减少低真空多层绝热材料的有效热导率,改善绝热性能。