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。     

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。     

紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的实验设计

 设计加工了一个L波段磁绝缘线振荡器(MILO)，并进行了实验研究。在二极管电压为515~538kV, 二极管电流为58~61kA的条件下, 获得了频率为1.76~1.78GHz，功率为2.2~2.5GW的TM₀₁模高功率微波辐射, 功率转换效率为7.3%~7.9%。实验结果与模拟结果符合得较好。     

C波段磁绝缘线振荡器的理论设计与实验

 通过理论分析与计算，设计加工了一个C波段磁绝缘线振荡器（MILO），并进行了实验研究。在二极管电压为437～464 kV、二极管电流为36～39 kA的条件下，从实验上获得了功率为1.60～1.68 GW、频率为3.60～3.66 GHz、脉宽为33～38 ns的TEM模高功率微波辐射，功率转换效率大于9%。     

L波段相对论返波振荡器初步实验研究

设计了一个紧凑型L波段相对论返波振荡器(RBWO),利用Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束-波作用的物理过程。模拟结果表明:在二极管电压700 kV、电子束流10 kA、导引磁场为1.0 T时,能实现L波段2.23 GW高功率微波输出,平均效率约为31.8%。为验证模拟结果,在高阻加速器平台上进行了初步实验:当二极管电压为703 kV、电流10.6 kA、导引磁场为0.8 T时,实验获得了峰值功率1.05 GW、频率1.61 GHz、脉宽38 ns的高功率微波输出,其功率效率为14.4%。     

磁绝缘线振荡器的自动优化设计

为克服全电磁粒子模拟(PIC)程序不利于优化设计的弱点,提高高功率微波器件的优化设计水平,将遗传算法与全电磁粒子模拟算法有机融合,研制出二维全电磁粒子模拟并行优化程序。据此对高功率微波源器件——两个波段的磁绝缘线振荡器(MILO):C-MILO和L-MILO进行优化设计。在输入功率不变的条件下,原C-MILO效率为10.8%,经优化后效率为15.4%;原L-MILO效率为12.6%,经优化后效率为17.7%。由此得出,两类MILO模型经优化后在输入功率基本不变的情况下输出功率和效率都有很大程度的提高,且模型几何参数合理,物理图像正确。     

内导体对相对论返波振荡器工作波段选择的影响

 设计了一种紧凑型、GW级同轴引出电子束相对论返波振荡器,利用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束 波作用的物理过程。模拟结果表明：当器件中使用内导体,在电子束能量700 keV,电子束流11 kA,导引磁场为1.0 T时,能实现L波段2.66 GW高功率微波输出,平均效率约为34%;去掉内导体时,能实现S波段1.88 GW单频微波输出,平均效率约为24%。同一个器件,仅通过装卸内导体就可以选择在两个波段实现GW级、高效微波输出,这对于高功率微波器件的设计有一定的参考意义。     

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。     

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%。     

S波段多注相对论速调管放大器长时间运行研究北大核心CSCD

为了实现高功率微波源低磁场及长时间稳定运行,开展了S波段GW级多注相对论速调管放大器(RKA)的理论模拟设计与实验研究。首先,采用一维大信号非线性理论软件优化设计了S波段4腔多注RKA,找到了器件工作的最佳参数:采用电压550 kV、束流4.7 kA的14注RKA,获得功率1.1 GW、效率43%的输出微波。随后,采用粒子模拟软件对理论设计的束波互作用参数进行了验证,获得了输出功率992 MW,器件效率为37%。最后,根据模拟参数开展了器件重频长时间运行实验研究。采用紧凑同轴Marx功率源驱动S波段四腔多注RKA,在电压530 kV、束流5.4 kA、重频20 Hz、运行时间1 s、引导磁场强度0.39 T、注入微波功率1.7 kW的条件下,获得了功率934 MW、脉宽69 ns的输出微波,束波转换效率33%。在器件重频20 Hz、运行时间10 min条件下,坚实了平均功率889 MW、平均脉宽42 ns的输出微波。该研究结果为S波段RKA的低磁场和长时间运行打下了的技术基础。     

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%。     

P波段混合型MILO的粒子模拟

 结合负载限制型磁绝缘线振荡器(MILO)和渐变型MILO的特点提出并设计了P波段混合型MILO的结构，主要以负载限制型MILO结构作为雏形，将其内部仅含有的1根提取叶片用3根长度渐变的慢波叶片组成的渐变段替换。该结构可更好地实现束波相互作用，并使提取间隙电场与MILO输出同轴结构处的电场达到更好的匹配，增加微波输出功率。器件纵向总长度为47 cm，外筒直径为44 cm。优化后的2.5维全电磁粒子模拟结果表明：在二极管工作电压550 keV、电流约57 kA的情况下，输出微波的中心频率为640 MHz，平均功率为4.27 GW，束波转换效率为13.6％，器件4 ns时起振，6 ns达到饱和，且微波输出功率十分稳定，最终输出微波模式为TEM模。     

低磁场谐振腔切仑科夫振荡器-锥形放大器的初步实验研究

设计了一种能工作在低磁场高功率的慢波器件,该器件通过谐振腔将切仑科夫振荡器与锥形放大器有机地结合,充分利用电子的能量,实现了高效的微波产生.给出了初步的实验结果,在束流电压450kV,电流2.3 kA,导引峰值磁场0.6T的情况下,得到230 MW,频率为10.33 GHz,模式TM01的微波输出,效率达到23%.实验结果与粒子模拟结果基本吻合.     

HEM₁₁ mode magnetically insulated transmission line oscillator:Simulation and experiment

A novel magnetically insulated transmission line oscillator(MILO) in which a modified HEM 11 mode is taken as its main interaction mode(HEM 11 mode MILO) is simulated and experimented in this paper.The excitation of the oscillation mode is made possible by carefully adjusting the arrangement of each resonant cavity in a two-dimensional slow wave structure.The special feature of such a device is that in the slow-wave-structure region,the interaction mode is HEM 11 mode which is a TM-like one that could interact with electron beams effectively;and in the coaxial output region,the microwave mode is TE 11 mode which has a favourable field density pattern to be directly radiated.Employing an electron beam of about 441 kV and 39.7 kA,the HEM 11 mode MILO generates a high power microwave output of about 1.47 GW at 1.45 GHz in particle-in-cell simulation.The power conversion efficiency is about 8.4 % and the generated microwave is in a TE 11-like circular polarization mode.In a preliminary experiment investigation,high power microwave is detected from the device with a frequency of 1.46 GHz,an output energy of 43 J-47 J,and a pulse duration of 44 ns-49 ns when the input voltage is 430 kV-450 kV,and the diode current is 37 kA-39 kA.     

多频磁绝缘线振荡器的粒子模拟

 在双频磁绝缘线振荡器的基础上，提出了多频磁绝缘线振荡器的设想，并利用电磁模拟软件，通过对磁绝缘线振荡器的高频结构进行优化，设计出了多频磁绝缘线振荡器。给出了能够同时稳定输出微波频率数目为1，2，3，4，5的多频磁绝缘线振荡器的粒子模拟结果。结果表明：多频磁绝缘线振荡器可以产生多个频率的高功率微波信号，其功率效率较单频磁绝缘线振荡器的功率效率有明显降低。     

一种新型的高功率高频率同轴渡越时间振荡器

 提出了一种高频率和高功率的渡越时间振荡器,并且对其进行了理论和数值研究。这种振荡器采用同轴结构，功率容量大，不需要外加引导磁场聚焦电子束，波束相互作用区短，保持了传统渡越时间振荡器在结构上的简单性和输出信号的稳定性；运用电压为225kV和电流为11kA的电子束进行模拟，在X波段获得了峰值功率为1.4GW，频率为8.335GHz的微波输出。     

单频多模磁绝缘线振荡器的3维数值模拟

 为解决实验中经常遇到的输出微波频率不纯问题,提出一种新型磁绝缘线振荡器,采用2维周期慢波结构,使对称模式和低阶非对称模的工作频率相同,在模式竞争条件下得到纯频微波输出。利用3维电磁场软件计算表明,新型磁绝缘线振荡器的慢波结构的对称模式和低阶非对称模的π模谐振频率相同;3维粒子模拟计算表明,在450 kV,40 kA输入条件下,微波输出平均功率由2.4 GW提升至2.8 GW,输出模式为多种模式混合,频率为单一的1.22 GHz。     

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。     

紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的粒子模拟

 采取减小阴极杆半径和长度、阴阳极间隙、叶片的长度和厚度及慢波结构周期的办法构造了一种紧凑型磁绝缘线性振荡器（MILO），并用2.5维全电磁PIC方法对这一器件进行了粒子模拟研究。该装置主频为1.9GHz，饱和后平均输出功率达5.4GW，束波转换效率达12％。紧凑型MILO结构能避免电击穿，电子束发射的对称性较易控制。