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。     

L波段双频磁绝缘线振荡器的设计与粒子模拟

 提出了利用角向分区来产生双频高功率微波的思想,并根据常规磁绝缘线振荡器的互作用主要在轴向而与角向无关的物理机制,通过在常规磁绝缘线振荡器内设置谐振腔深度的角向分区,建立了L波段双频磁绝缘线振荡器的模型,并利用电磁模拟软件,优化设计了L波段双频磁绝缘线振荡器。粒子模拟的结果为：在电子束电压为530 kV,电流为45.5 kA的条件下,得到了稳定的双频高功率微波输出,其微波频率分别为1.28 GHz和1.50 GHz,周期平均功率约为2.65 GW,功率效率约为11%,两个频率的频谱幅度相差约0.4 dB。     

磁绝缘线振荡器中模式竞争的物理分析和数值模拟

作为一种紧凑型高功率微波器件,磁绝缘线振荡器在起振过程中容易出现模式竞争现象,如果不能对其进行有效抑制,可能导致器件的最终输出性能下降.由于磁绝缘线振荡器中波束互作用区通常采用同轴盘荷波导作为其慢波结构,因此本文从同轴盘荷波导中几个可能被相对论电子束激发的低阶本征模与电子束之间的色散关系入手,分析了三种类型的模式竞争的特点、产生的可能原因以及削弱方法.基于以上分析,给出了一种高功率紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的物理模型,并利用全电磁三维粒子程序对其进行了冷腔和热腔的数值模拟.结果表明,由于结构不完全对称和电子发射可能存在一定的非均匀性,器件运行初期互作用区有竞争模式HEM_(11)模出现,与理论分析一致;起振一小段时间后(10 ns左右),互作用区基模增长加快,高阶模被抑制.进一步优化后器件在基模获得了高效率和高功率微波输出,饱和时输出功率约为8.1 GW,输出效率达到了18%,模式纯度约为97%.本文研究结果可为磁绝缘线振荡器运行过程中出现的竞争模式的识别和输出性能优化提供理论参考和依据.     

S波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

 设计了一种阶梯阴极型S波段磁绝缘线振荡器，通过对其色散关系的研究，选择了合理的结构参数。通过对开放腔模型的分析，得到了磁绝缘线振荡器的谐振频率和有载品质因数。粒子模拟表明，在外加电压523 kV、束流49.7 kA时，微波输出功率4.35 GW，频率2.10 GHz，功率转换效率16.7%。     

阶梯阴极型L波段MILO的实验研究

 对阶梯阴极型L波段磁绝缘线振荡器（MILO）进行了实验研究。介绍了测试方法与测试系统；开展了阴极电子发射实验，发现阴极电子发射不均匀是对称结构MILO产生非对称微波模式的最关键的因素之一；并对二极管屏蔽环尺寸、扼流片半径、提取间隙等进行了研究。在电子束电压约420 kV、电流33 kA的条件下，得到了阶梯阴极型L波段MILO的高功率微波辐射功率为1.22~1.47 GW，脉宽大于20 ns，频率为1.21 GHz，束波转换效率约为10%，器件产生微波模式为TM01模，经过模式转换器后的辐射模式为TE11模。     

新型电感储能脉冲功率驱动源

提出了将传统单个储能电感利用传输线分隔成两部分的新型电感储能脉冲功率驱动源技术方案。理论分析表明,利用传输线电容的耦合延时作用,可有效对调制器输出脉冲波形进行整形,并且可以进一步提高能量转换效率,从而克服传统电感储能脉冲功率源输出波形质量差(类三角波波形)的缺点。基于该思想开展了实验研究,获得了电压约300 kV,电流约20 kA的电子束,并成功驱动S波段磁绝缘线振荡器获得了百MW量级的微波输出。     

磁绝缘线振荡器的起振电压与注入电压关系的分析

粒子模拟和实验研究发现磁绝缘线振荡器(MILO)的起振电压会随注入工作电压的增大而增大, 通过进一步的分析与研究, 找到了引起该现象的根本原因, 即随着注入工作电压的增大, 工作电压上升前沿的斜率必然增大, 上升前沿斜率的增大必然引起起振电压的增大, 当斜率无限大时, MILO的起振电压等于工作电压. 因此, 工作电压上升前沿斜率的变化是引起MILO器件起振点变化的根本原因; 当注入电压上升沿的斜率固定不变时, 同一MILO器件的起振点不变, 即对应的起振电压值不变; 当注入电压上升沿的斜率增大时, 同一MILO器件的起振点对应的起振电压值随之增大. 对MILO器件的自磁绝缘临界电流公式进行了部分修正. 关键词： 磁绝缘线振荡器 工作电压 起振电压 工作曲线     

L波段端面发射高效率磁绝缘线振荡器

 建立了磁绝缘线振荡器自磁绝缘的理论模型,给出了磁绝缘电流计算公式。然后给出了非线性稳态的最大轮辐电流计算公式,并据此分析了负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率。提出一种新型的端面发射型磁绝缘线振荡器,在二极管电压590 kV,二极管电流为55.47 kA情况下,粒子模拟得到周期平均功率6.1 GW左右,工作主频为1.24 GHz,束波转换效率18.64%左右。端面发射型磁绝缘线振荡器的效率比负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率提高6%左右。端面发射的电流不参与束波互作用,由于端面发射的电流比较小,在总电流不变的情况下参与束波互作用的电流增多,从而提高了效率。最后分析了角向磁场的分布以及自磁绝缘的情况。     

高效率磁绝缘线振荡器的设计和数值模拟

 运用2维全电磁粒子模拟程序,综合硬管磁绝缘线振荡器和渐变型磁绝缘线振荡器的优点,设计了具有较易起振和较高效率L波段磁绝缘线振荡器。在普通L波段MILO的基础上,主要进行了两个方面的改进,一是将磁绝缘二极管设计为轴向,即绝缘磁场主要由阴极端面发射的电流提供,二极管间隙为2.2 cm;二是增加慢波结构叶片数目,加入渐变叶片结构,形成渐变MILO模型,叶片总数为13。并针对矩形和具有慢上升前沿的脉冲电压波形分别进行了输出腔、叶片等的优化。两种优化模型在输入电压500~600 kV时,在L波段都获得输出周期平均功率超过5 GW、效率大于20%的微波输出。并对实验中可能产生的射频击穿的问题,提出采用对扼流片尖端进行倒角处理以降低场强。模拟表明,该方法对输出功率和效率影响不大,但有效减小了击穿压力。     

高电压运行的高效率磁绝缘线振荡器设计

为追求更高的输出功率和效率,在理论分析的基础上,采用理论和PIC数值模拟相结合的方法设计了较高工作点电压（700 kV）的磁绝缘线振荡器模型,数值模拟结果表明:当输入电压为695 kV、输入功率为55.7 GW时,输出周期平均功率为11.2 GW,效率为20.1%;与以往低工作点的磁绝缘线振荡器相比, 效率较高,且和低工作点的器件只在最佳工作点处取得最大效率不同,本器件随着电压升高,效率进一步提高。     

Investigation of an X-band magnetically insulated transmission line oscillator

An X-band magnetically insulated transmission line oscillator （MILO） is designed and investigated numerically and experimentally for the first time. The X-band MILO is optimized in detail with KARAT code. In simulation, the X-band MILO, driven by a 720 kV, 53 kA electron beam, comes to a nonlinear steady state in 4.0 ns. High-power microwaves （HPM） of TEM mode is generated with an average power of 4.1 GW, a frequency of 9.3 GHz, and power conversion efficiency of 10.870 in durations of 0-40 ns. The device is fabricated according to the simulation results. In experiments, when the voltage is 400 kV and the current is 50 kA, the radiated microwave power reaches about 110 MW and the dominating frequency is 9.7GHz. Because the surfaces of the cathode end and the beam dump are destroyed, the diode voltage cannot increase continuously. However, when the diode voltage is 400 kV, the average power output is obtained to be 700 MW in simulation. The impedance of the device is clearly smaller than the simulation prediction. Moreover, the duration of the microwave pulse is obviously shorter than that of the current pulse. The experimental results are greatly different from the simulation predictions. The preliminary analyses show that the generations of the anode plasma, the cathode flare and the anode flare are the essential cause for the remarkable deviation of the experimental results from the simulation predictions.     

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。     

S波段分离腔振荡器的数值模拟与设计

通过粒子模拟的方法设计了分离腔振荡器(SCO),并建立了基于爆炸发射的阴极模型,对带有真实二极管结构的SCO进行了整体的粒子模拟研究。典型的数值模拟结果为:在二极管电压为495 kV,电流为3.93 kA时,输出高功率微波的功率为640 MW,微波频率为2.85 GHz,功率效率为33.0%。同时,还研究了二极管输入电压幅度及波形、阴-阳极间距、阴极半径等参数对SCO输出高功率微波特性的影响,初步研究结果表明:除了栅网的通过率,SCO对二极管阻抗、阴极半径等参数也比较敏感,对应一定的二极管阻抗,需有一个最佳的电压值与之匹配;三角波电压波形会明显降低SCO的功率效率。     

平面二极管爆炸发射阴极特性实验研究

 在电压0.6~1.0 MV,脉冲重复频率为100 Hz条件下,实验研究了爆炸发射阴极的有效发射面积、平均发射电流密度、二极管阻抗、电子束能量损耗机制等特性。结果表明：阴极有效发射面积随时间呈方波变化,在脉冲开始后5 ns内有效发射面积基本达到稳定。在碳纤维、天鹅绒、石墨、不锈钢4种阴极材料中,碳纤维阴极有效发射面积最大且变化相对稳定,并且碳纤维阴极具有最大的平均发射电流密度。二极管阻抗随着阴阳极间隙的增加并非呈平方关系增加,而是呈线性增长,阻抗失配是降低电子束能量传输效率的主要机制。     

长脉冲高阻抗强流电子束二极管

 介绍了强光一号加速器长脉冲功率系统；分析了强光一号加速器长脉冲轴向绝缘高阻抗电子束二极管的管绝缘体和真空磁绝缘传输线的结构与绝缘性能；阐述了二极管工作阻抗和阴阳极的设计原则，给出了设计参数。实验研究表明：二极管电压0.75~2.6MV，电流65~85kA，电压幅值对应的工作阻抗14~44Ω，输出轫致辐射脉冲宽度100~400ns，100 cm²输出窗口的轫致辐射剂量率10⁸~2×10⁹Gy/s。     

紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的实验研究

 设计加工了一个紧凑型L波段磁绝缘线振荡器(MILO)并进行了实验研究。该MILO具有一个新型收集极和一个新型模式转换器，射频扼流腔减为一个，同时将阴极杆设计成变阻抗结构，该MILO由一台自建的600kV,8Ω，100ns加速器SPARK01驱动。在二极管电压为515～538kV, 二极管电流为58～61kA的条件下, 该MILO在实验中获得了1.76～1.78GHz， 2.2～2.5GW的TM₀₁模高功率微波辐射, 功转换效率为7.3%～7.9%。在30ns的有效电压脉宽下，实验中测得微波脉冲半高宽为15ns。实验结果与模拟结果符合得较好。     

MC55低阻抗强流脉冲电子加速器研制

介绍了MC55低阻抗强流脉冲电子加速器的结构及主要技术参数,给出了加速器的初步调试结果。该加速器由Marx发生器、10Ω水介质单筒形成线、高压自击穿气体开关、水介质传输线和真空二极管组成。经过初步调试,该加速器可以产生电压500 kV,电流50 kA,脉冲宽度50 ns的强流电子束。目前MC55加速器已应用于同轴虚阴极振荡器高功率微波源的实验研究。     

磁绝缘线振荡器中模式竞争问题的数值模拟

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。     

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%。