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%。     

A Ku-band magnetically insulated transmission line oscillator with overmoded slow-wave-structure

In order to enhance the power capacity, an improved Ku-band magnetically insulated transmission line oscillator(MILO) with overmoded slow-wave-structure(SWS) is proposed and investigated numerically and experimentally. The analysis of the dispersion relationship and the resonant curve of the cold test indicate that the device can operate at the near π mode of the TM01 mode, which is useful for mode selection and control. In the particle simulation, the improved Ku-band MILO generates a microwave with a power of 1.5 GW and a frequency of 12.3 GHz under an input voltage of480 k V and input current of 42 k A. Finally, experimental investigation of the improved Ku-band MILO is carried out. A high-power microwave(HPM) with an average power of 800 MW, a frequency of 12.35 GHz, and pulse width of 35 ns is generated under a diode voltage of 500 k V and beam current of 43 k A. The consistency between the experimental and simulated far-field radiation pattern confirms that the operating mode of the improved Ku-band MILO is well controlled inπ mode of the TM01 mode.     

X波段长脉冲高功率微波产生的实验研究

 获得长脉冲高功率微波（HPM）输出是HPM源技术追求的重要目标之一。从物理机理上分析了影响慢波结构HPM器件实现长脉冲HPM输出的因素,并利用长脉冲脉冲功率源和过模慢波结构HPM器件,开展了X波段长脉冲HPM产生实验。实验中,采用介质-铜阴极,并在慢波结构表面镀Cr,在导引磁场约0.7 T、二极管电压约400 kV、电流约10 kA、束流脉宽200 ns的条件下,获得了功率500 MW、脉宽约100 ns、主模为TM₀₁的X波段长脉冲HPM输出。对实验结果的分析表明,脉冲功率源与HPM器件的阻抗不匹配,是导致HPM器件输出微波脉宽比电子束脉宽短、以及HPM器件输出微波功率效率较低的主要原因。     

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。     

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波段短脉冲相对论返波管设计与初步实验

 对基于短电子束脉冲超辐射机理的X波段相对论返波管进行了优化设计和粒子模拟，结果表明：在超辐射机理作用下，该器件能实现高峰值功率和高功率转换效率的微波辐射。在小型Tesla脉冲源基础上设计了阻抗变换段、二极管、磁场系统等装置，建立了一套小型窄脉冲电子加速器，以此为实验平台在低磁场条件下进行了器件的初步实验研究。在磁场0.73 T、束压约380 kV、束流约4.5 kA、脉宽3.1 ns条件下，实验获得的微波脉冲峰值功率约360 MW，脉宽1.10 ns，上升沿800 ps，频率9.15 GHz，功率转换效率为21%。     

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。     

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.     

折叠型平板Blumlein线高功率微波驱动源

 介绍了一种使用折叠型平板Blumlein线为主体的紧凑型高功率微波驱动源,Kapton薄膜和纯净变压器油分别作为折叠型平板Blumlein线的传输线介质和绝缘介质,Blumlein线的整体尺寸为1.00 m×0.40 m×0.15 m。采用一个特征阻抗大约是12 W的C波段磁绝缘振荡器作为高功率微波源。折叠型平板Blumlein线传输的能量可以使磁绝缘振荡器的阴极发射出电压550 kV,电流40 kA ,脉宽90 ns的电子束,从而产生峰值功率350 MW,脉宽40 ns的高功率微波。     

同轴电缆头和转接头HPM击穿现象初步分析

介绍了同轴电缆头和转接头的HPM击穿实验研究方法，给出了几种电缆头和转接头微波击穿功率随微波频率、脉冲宽度、重复频率和脉冲持续时间变化规律的实验研究结果。结果表明:微波击穿发生在同轴电缆头连接处，是电缆接头沿面滑闪，且击穿功率随同轴电缆及转接头尺寸的减小而降低；击穿功率也随微波脉冲宽度（30 ns～1 μs）的增大而减小，并且在100 ns附近有一拐点；在低重复频率（1～1000 Hz）下，重频对击穿功率的影响不大；微波频率在2.856～9.37 GHz变化时，微波频率对击穿功率的影响不明显；微波脉冲宽度较窄时（几十ns以下），击穿功率随持续时间变化不大，脉冲宽度较宽时（百ns以上），击穿阈值随持续时间的增大而下降。     

C波段三腔渡越时间振荡器的数值模拟

 用2.5维PIC程序对三腔渡越时间振荡器进行了数值模拟，给出了产生微波的详细物理图像。模拟表明：三腔渡越时间振荡器能调制强流电子束并输出微波，微波频率符合理论设计值。模拟得到了输出微波功率随栅网间距，随反向二极管轴向间距以及提取口径向间距变化的规律。输出微波功率与栅网间距的关系与线性理论基本相符。在电子束电压400kV，电流4kA的条件下，模拟得到的结果为微波峰值功率约600MW，频率5GHz，起振时间约3.5ns，峰值功率效率大于37%。     

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。     

轴向分区双频磁绝缘线振荡器的数值模拟

 为了便于模式变换器的设计,达到双频微波都能集中辐射的目的,提出一种轴向分区的双频磁绝缘线振荡器,该器件束波互作用区为中间隔开、两端不同周期、不同深度的慢波结构,使电子在上下游与不同频率特性的慢波结构进行束波互作用,得到稳定的双频微波输出。使用2.5维全电磁粒子模拟软件进行数值模拟,在工作电压450 kV,电流40 kA条件下输出微波功率为1.4 GW,功率效率约为7%,输出的微波频率分别为1.25 GHz和1.65 GHz,两者频谱幅度相差约为1.5 dB,模式为TEM模。     

HEM11 mode magnetically insulated transmission[2mm] line oscillator: simulation and experiment

A novel magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) in which a modified HEM₁₁ mode is taken as its main interaction mode (HEM₁₁ 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 HEM₁₁ mode which is a TM-like one that could interact with electron beams effectively; and in the coaxial output region, the microwave mode is TE₁₁ mode which has a favourable field density pattern to be directly radiated. Employing an electron beam of about 441 kV and 39.7 kA, HEM₁₁ 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 TE₁₁-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.     

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。     

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%。     

宽谱窄脉冲高功率微波产生的初步研究

为了探索短电脉冲产生高功率微波技术,采用理论和粒子模拟方法分析了短电脉冲(脉宽不大于30ns)驱动S波段相对论扩展互作用腔振荡器(REICO)产生高功率宽谱的技术可行性,开展了原理性的实验验证。采用Marx发生器产生的前沿15ns、后沿30ns、电压560kV、束流2.8kA的类三角形电子束脉冲激励REICO,模拟产生了410MW、脉宽8ns、相对瞬时带宽2.7%的微波,实验输出了160MW、脉宽10ns、中心频率2.75GHz、瞬时相对带宽2.8%的高功率微波。     

Operational features and microwave characteristics of the VircatorII experiment

The Vircator II oscillating virtual-cathode microwave source operates with diode voltages between 600 and 800 kV and diode current between 50 and 120 kA. Maximal microwave output power between 200 and 500 MW is achieved when the diode aspect ratio, cathode surface, charge voltage, and extraction coupling are arranged to simultaneously (1) maximize diode voltage, (2) satisfy magnetic insulation criteria, (3) avoid nonuniform or unstable electron emission, and (4) optimize microwave transmission from the virtual cathode to the launching antenna. Broadband radiation between 0.4 and 5.5 GHz is generated. The central frequency follows the beam plasma frequency. It is tuned by varying the current density with anode-cathode gap adjustments     

阳极结构对过模返波振荡器长脉冲工作特性的影响

针对过模返波振荡器中泄漏微波在二极管区谐振, 造成微波脉冲缩短的现象, 设计了内置吸波材料的阳极结构来抑制这种泄漏微波对器件输出的影响。利用粒子模拟软件对不同阳极结构下过模返波管微波输出特性进行模拟研究, 模拟结果表明, 带吸波材料的阳极结构可以减小泄漏微波对微波输出功率、器件工作模式及脉冲宽度的影响。在长脉冲过模返波振荡器实验中, 电子束参数为（800 kV, 7 kA）时, 器件输出微波频率为8.58 GHz, 效率为30%。通过模拟计算和实验验证, 这种带吸波材料的阳极结构有效降低了泄漏微波对过模返波管微波输出的影响, 将器件输出微波脉冲宽度从70 ns提高到110 ns。     

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。