Simulation and experiment of magnetically-insulated transmission line

对长距离磁绝缘传输线(MITL)的传输效率和结构变化带来的影响进行了评估.介绍了MITL稳态流与非稳态流理论,为了验证各种条件对传输效率的影响进行了粒子模拟,修改了MITL的结构并设计了若干对应的分解检验实验.通过准确测量同一位置的阴阳极电流和电压验证了Mendel层流理论公式.已完成的电感支撑阴阳极实验结果表明,使用合适量级电感型刚性弹簧对内外筒进行固定可以满足传输效率设计要求.     

磁绝缘传输线的模拟设计与实验

对长距离磁绝缘传输线（MITL）的传输效率和结构变化带来的影响进行了评估。介绍了MITL稳态流与非稳态流理论,为了验证各种条件对传输效率的影响进行了粒子模拟,修改了MITL的结构并设计了若干对应的分解检验实验。通过准确测量同一位置的阴阳极电流和电压验证了Mendel层流理论公式。已完成的电感支撑阴阳极实验结果表明,使用合适量级电感型刚性弹簧对内外筒进行固定可以满足传输效率设计要求。     

二极管波过程理论分析

 理论分析了二极管磁绝缘传输线（MITL）区阻抗不连续和二极管阻抗随时间的变化对波过程的影响。结果表明：若MITL区电长度远小于入射波脉宽,则二极管前端测得的电压电流幅值反映了阴极处电压、电流,电压与电流的比值由二极管阻抗确定;为加快阴极处电压、电流前沿,MITL区各段传输线沿波的传输方向可采用阻抗渐增的方式,且取中间元件的阻抗为其两端元件阻抗的均方根;测点电压、电流前沿在时间上可分为传输、全反射和束流形成阶段;梯形电压波入射下,测点波形前沿全反射阶段电压较传输阶段增长速度倍增,电流为一段平台;实际电压波入射下,测点电压波形前沿为一条不断增长的曲线,电流波形前沿存在振荡。     

阳加速器新磁绝缘传输线的设计与检验

 介绍了阳加速器新磁绝缘传输线(MITL)的物理设计及实验检验。在缩短MITL整体长度及绝缘环宽度的同时，将原结构改成以共顶点同轴圆锥段为主体的新结构，使阴极表面、绝缘环及三相点满足电场设计要求，最小磁绝缘电流较原结构有所降低，将结构电感从原来的70.9 nH减小到31.7 nH。利用短路实验及丝阵内爆实验对新MITL进行了检验，结果表明新MITL的性能指标有所提高。     

磁绝缘传输线电压的初步测量

针对快脉冲直线变压器驱动源装置上的真空磁绝缘传输线（MITL)电压测量的需求,开展了微分型电容分压器和电感分压器的设计、标定和实验。通过不同的电压值、负载阻抗的装置实验中探头输出结果的分析和比较,讨论了测量方法的可行性和适用范围。实验结果表明:微分型电容分压器能够应用于完全磁绝缘状态下的MITL电压测量,但容易受阴极电子发射的影响导致探头输出波形发生畸变。电感分压器受分布电容和电感的影响导致输出信号存在寄生振荡,采用波形重建的方法初步获得了合理的测量结果。     

15 MA Z箍缩装置真空磁绝缘传输线鞘层电子流分析

基于建立的15 MA Z箍缩装置等效电路模型,获得了外层磁绝缘传输线(magnetically-insulated transmission line,MITL)鞘层电子流分布规律:从时间上看,鞘层电子流幅值先减小、后增大,波形呈“马鞍”型;从空间上看,鞘层电子流沿着功率流方向逐渐减小.分析了MITL参数,包括恒阻抗段真空阻抗、恒间隙段间距,以及柱孔盘旋面位置半径对MITL末端鞘层电子流的影响.计算结果显示:MITL末端鞘层电子流受MITL末端阻抗和柱孔盘旋面位置半径的影响较大.当15 MA装置四层MITL并联真空阻抗从0.42Ω增大到0.84Ω时,在负载聚爆前5 ns时刻,MITL末端鞘层电子流从184.7 kA降低至106.9 kA,负载峰值电流减小约0.5 MA.     

磁绝缘传输线压力平衡模型的修正

 由于电子的发射,在磁绝缘传输线（MITL）的阴极表面附近会形成一层电子鞘层。当传输线工作在稳定态时,电子鞘层的边缘满足压力平衡。在此基础上,考虑了电子鞘层内部的碰撞,利用PIC计算方法对MITL的电压、阴极电流和阳极电流的关系进行修正,使得阴阳极电流在饱和流条件下与模拟计算结果更加符合,最大误差由9%降到3%。碰撞系数关于电压的拟合曲线适合于工作电压为2～7 MV的理想MITL。     

MA量级小型螺线管爆磁压缩发生器

通过等效电路方法计算了MA量级小型螺线管爆磁压缩发生器(HEMCG)各参数,得到发生器的损耗主要来自非欧姆损耗。设计的HEMCG整体外径约140 mm,长度小于550 mm,初始电感128.7μH。实验表明,在初始电流3.6 kA条件下,在100 nH负载上输出前沿75.2μs、峰值1.87 MA的电流脉冲,电流放大约519.4倍,能量放大约209.5倍,炸药化学能到电磁能的转换效率为6%。两发HEMCG分别经原边电感约440 nH、副边电感约4μH、耦合系数约0.85的电缆变压器调制,在4μH负载上得到了上升时间约80μs、峰值72 kA的脉冲电流,变压器能量传输效率约为26.8%。     

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。     

欠匹配二极管有效电流评估

 介绍了一种基于Creedon磁绝缘层流理论，预测磁绝缘传输线（MITL）中反射波前沿经过后由电子再俘获引起MITL工作点变化的方法。当二极管相对于MITL欠匹配时，如果MITL前行波工作点和二极管阻抗已知，该方法可以定量求解反射波前沿经过后MITL的阴极电流，进而得到二极管中用于产生X射线的有效电流。与PIC模拟对比表明：该方法具有较高的准确性，可用来评估近轴二极管、磁浸没式二极管等负载用于产生X射线的最大有效电流。     

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%。     

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.     

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。     

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。     

吉瓦级强流相对论多注电子束二极管的优化设计与实验研究

多注相对论速调管放大器可在较高的工作频段实现GW级功率微波产生,在很多领域得到了发展和应用.多注相对论速调管中强流相对论多注电子束相互之间存在空间电磁场的作用,使得多注电子束从二极管引入多注漂移管,以及在多注漂移管中的传输运动受到影响,导致电子束会轰击到管壁上,早期实验中多注电子束的传输通过率较低.本文对功率数GW的强流相对论多注电子束在二极管与多注漂移管中的运动过程进行了理论分析与粒子仿真模拟,得到强流相对论多注电子束的传输运动规律.对多注二极管的结构进行了优化设计,仿真设计实现强流相对论多注电子束的传输通过率达到99%,并且开展了验证实验研究,实验在电子束电压为801 kV,电流为9.3 kA的情况下,电子束的传输通过率达到92%.     

虚阴极振荡微波辐射

本文概述在EPA-74脉冲线加速器上进行的虚阴极振荡微波辐射实验。1kA,400keV的电子束流经短磁线圈聚焦形成虚阴极,产生波长在6.2～11.5mm的微波辐射,峰值功率约1MW。从提高效率考虑,拟采用特殊设计的实验结构,以形成多级虚阴极振荡。     

12MeV直线感应加速器二极管优化设计研究

 本文用MAGIC程序对设计的多种12MV直线感应加速器的二极管结构进行模拟计算,得出了二极管阴极表面电场强度分布,并根据实验研究结果,得到了结构最佳设计的二极管模型;随后利用扫描电镜方法对不同天鹅绒的结构进行了分析与发射性能实验研究。最后得到优化后的二极管产生的电子束束流参数为发射束流I_e=8.50kA,传输束流I₈=3.0kA ,打靶束流I₀=2.30kA。     

相对论速调管三轴提取腔的分析与设计

分析了同轴漂移管中电子束的空间电荷限制流和能量分布，为了降低S波段相对论速调管放大器(RKA)中电子束空间电荷效应及势能，提高RKA的束波转换效率，提出了三轴结构的输出腔，理论分析RKA的束波转换效率达到36%，比同轴提取腔的束波转换效率提高了9个百分点. 采用数值计算程序设计了三轴提取腔，粒子模拟了S波段RKA的微波提取，取得了与理论分析一致的结果. 采用590kV/5kA的空心电子束，经过预调制腔和群聚腔等两个腔的调制后，采用三轴提取腔提取微波，得到了约1.0GW的微波功率，效率35%. 理论研究结果与实验结果吻合得较好. 关键词： 相对论速调管放大器 三轴提取腔 空间电荷限制流     

阴极帽结构L波段相对论磁控管的效率提升

提出了一种具有阴极帽结构的L波段相对论磁控管的设计方案,并给出了数值模拟结果。在相对论磁控管中引入阴极帽是为了降低轴向泄露电流并提高功率转换效率。三维粒子模拟用于研究引入阴极帽后产生的影响。结果显示,当在束波互作用区域的上游和下游同时添加阴极帽,并且将阴极延伸出阳极块结构,直至衍射输出结构时,轴向泄露电流不仅会从1 kA降至72 A,且功率转换效率会有明显提高。虽然如此,阴极帽的引入除了以上优点外,同样会带来微波反射。因此,阴极帽的半径和位置对于效率有至关重要的影响,它们之间存在一个最优数值来保证效率最高。当电压为563 kV, 磁场为0.34 T时,轴向衍射输出结构L波段相对论磁控管输出微波功率为2.13 GW,频率为1.59 GHz,相应的功率转换效率为75.5%。