相对论返波管振荡器齿状阴极

研究了一种齿状阴极的电子束产生传输过程以及对相对论返波管振荡器产生高功率微波的影响。基于SINUS881加速器,利用束流轰击金属靶观测齿状阴极产生电子束在不同轴向位置上的角向分布,并开展了基于环形阴极和齿状阴极的X波段相对论返波管振荡器的实验研究。对不同齿数及尺寸对电子束流特性、器件输出微波功率和脉冲宽度的影响进行了分析。实验结果表明:当阴极的齿数增加到一定数量时,电子束的横向运动使得电子束在径向逐渐趋于分布均匀;与均匀环形阴极的打靶结果近似,此时,电子束对于相对论返波管振荡器产生微波的功率和脉宽影响不大。     

基于超辐射机理产生X波段高功率亚纳秒脉冲研究

设计了一种基于超辐射机理的X波段相对论返波管结构, 利用全电磁2.5维粒子模拟程序对返波管中的超辐射机理进行了粒子模拟研究. 模拟表明: 在束430kV、束流4kA, 脉宽3.1ns的电子束驱动下,实现了峰值功率1.5GW、频率10GHz、脉宽500ps的亚纳秒微波脉冲输出, 峰值功率转换效率达到87.2%;在超辐射机理作用下, 微波峰值功率与电子束脉宽在一定的范围内成平方关系.     

引导磁场对相对论返波管微波功率的影响

 对引导磁场大小对相对论返波管(RBWO)微波功率的影响进行了理论和实验研究。首先利用KARAT软件对RBWO进行了全电磁PIC数值模拟,发现当磁场降低时,TE模与TM₀₁模的竞争导致微波功率降低,同时模拟中观察到“电子回旋共振吸收”现象,它是由于电子束与慢波结构中TM₀₁模的基波相互作用的结果;然后进行了实验研究,实验结果与数值模拟基本相符。     

同轴相对论返波管中波束作用过程

根据同轴相对论返波管的特点建立了物理模型，采用时域有限差分法研究了同轴相对论返波管中波束作用过程。研究表明:同轴相对论返波管中波束作用的输出效率与两端反射系数密切相关，而且其内部场分布特点对于提高输出效率非常有利。经过优化设计，利用 500 keV, 4.0 kA 电子束流，微波起振时间为7 ns，输出效率大于38%，与以往数值模拟和实验结果符合较好。根据计算结果进一步分析得到，与空心相对论返波管相比，同轴相对论返波管中空间电荷效应的影响较小。     

充填不同气体相对论返波管特性的PIC-MCC模拟

讨论了PIC-MCC方法的基本原理以及在UNIPIC软件中的编程实现,并用该软件模拟了充填不同种类气体在不同气压下相对论返波管的气体电离过程,讨论了所产生的等离子体对电子束的传输以及波束相互作用的影响.给出了返波管输出功率、频率和起振时间随气体种类和气压等参数的变化情况.模拟结果表明,电离产生的阳离子是返波管性能改善的原因,而腔内滞留的低能电子是破坏返波管振荡而引起脉宽缩短的重要因素. 关键词： 蒙特卡罗碰撞 粒子模拟 高功率微波 相对论返波管     

基于粒子模拟和并行遗传算法的高功率微波源优化设计

提出了基于粒子模拟和并行遗传算法的高功率微波源优化设计方法, 以全电磁粒子模拟软件UNIPIC模拟的高功率微波器件输出功率作为适应度函数, 采用浮点数编码的遗传算法对高功率微波源器件进行优化. 采用该算法, 对相对论返波管的布拉格反射器位置以及高度进行了浮点数编码,然后在巨型机上进行参数的全局优化, 获得了该返波管布拉格反射器的全局最优参数. 关键词： 并行遗传算法 相对论返波管 粒子模拟 高功率微波源     

充中性气体相对论返波振荡器的粒子模拟研究

 用PIC粒子模拟方法研究了充中性气体相对论返波管的物理机制，成功模拟了电子束碰撞充入返波管中的中性气体电离产生等离子体的过程，在电子束传输的路径上形成离子通道，有效中和电子束径向空间电荷力，有利于电子束的传输及束波相互作用产生微波。增加中性气体密度，返波管的输出频率明显上移，其辐射的功率和效率比相同的真空器件也有明显的提高。     

带有反射腔的相对论返波管的数值模拟

 阐述了带有反射腔的相对论返波管的数值模拟研究。利用线性理论[1]设计了返波管的慢波结构，应用SUPERFISH软件设计了谐振反射器。用KARAT软件对谐振反射腔返波管进行了宏观粒子模拟，得到了优化的返波管结构参数，并研究了外加磁场对输出效率的影响。模拟结果表明：谐振反射腔不仅起到截止颈的作用，还有预调制的作用；在低外加磁场条件下，该返波管也能输出较高功率的微波。显示了其在重复频率工作方面的重要意义。     

C波段长脉冲相对论返波管设计与实验

从抑制强场击穿的角度出发,结合传统理论和相关粒子模拟方法,设计并优化了工作于C波段的长脉冲相对论返波管。模拟中,利用强流相对论电子束的空间电荷场效应,将3 GW功率水平下电动力学结构表面的最大发射电场控制在700 kV/cm以下。利用实验室700L脉冲功率驱动源平台开展了相关实验验证,实验结果表明,通过合理的结构设计,在功率3 GW级水平下,C波段相对论返波管中的脉冲缩短问题能够得到有效抑制。实验中,当工作电压760 kV、电流为9.0 kA时,在4.23 GHz频点处获得的输出微波功率为2.8 GW,微波脉冲半高宽约101 ns,功率转换效率约41%,实验结果与模拟结果吻合较好。     

等离子体填充0.14 THz相对论返波管模拟

模拟了0.14 THz相对论返波管中电子束与氩气相互作用产生等离子体的过程, 研究了在不同气压条件下, 等离子体对相对论返波管的输出功率、频率以及起振时间的影响. 模拟结果表明, 等离子体背景能引起太赫兹波段真空电子器件脉冲缩短, 并出现新的频率分量; 适当地注入等离子体能减少0.14 THz相对论返波管的起振时间, 提高器件的输出功率. 关键词： 太赫兹 相对论返波管 粒子模拟 等离子体     

同轴引出电子束相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了一种L波段同轴引出电子束相对论返波振荡器,采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程,分析了二极管电压和导引磁场对产生微波频率和束-波转换效率的影响。模拟结果表明:该器件在小型化,中等磁场的条件下具有较高的束-波作用效率。在电子束能量700 keV,电子束流10 kA,导引磁场为1.0 T时,器件在频率1.62 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.2 GW,平均效率约为30%,器件最大径向半径仅为5.0 cm。     

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。     

Coaxial Relativistic Backward Wave Oscillator and Coaxial Master Oscillator-Power Amplifier

A two and one half dimensional particle-in-cell code MAGIC has been used to investigate the nonlinear beam-wave interaction in a coaxial relativistic backward wave oscillator(RBWO) and optimize the dependence of the output power on electron beam nature parameter, slow wave structure geometry and magnetic guide field. The optimum conditions for the coaxial RBWO were obtained. The simulation results show: the coaxial RBWO can generate 3.2GW peak output power at 10.2GHz in the TM₀₂ made when an annular electron beam of 20KA is accelerated across a diode potential of 600KV and guided through a section of uniform coaxial corrugated waveguide by an axial magnetic field of 25KG, the peak efficiency is about 27% . A novel coaxial master oscillator–power amplifier was presented in this paper.     

紧凑型P波段相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了一种紧凑型P波段相对论返波振荡器,其电动力学结构是由同轴慢波结构和同轴引出结构组成的。同轴慢波结构缩小了器件的径向尺寸;同轴引出结构缩短了器件的轴向长度,且提高了束波作用效率。通过粒子模拟研究了器件内束波作用的物理过程,模拟结果表明：器件具有结构紧凑、束波作用效率高的特点。在二极管电压700 kV,电流7 kA,导引磁场1.5 T时,器件在频率833 MHz处获得较高的微波输出,饱和后输出微波的平均功率达1.58 GW,效率约为32%,器件电磁结构尺寸仅为108 mm×856 mm。     

Particle-In-Cell Simulations from a X Band Coaxial Relativistic Backward Wave Oscillator

A high-power x-band coaxial relativistic backward wave oscillator has been conceptually designed and analyzed. The TM_on dispersion relations in the coaxial corrugated cylindrical waveguide used in the device was calculated. MAGIC,an electronmagnetic particle-in-cell code, is being used to investigated the nonlinear beam-wave interaction and other design optimization issues. Preliminary simulation results shows that the coaxial BWO can generate 2. 2 GW peak power microwave at 10. 15GHz in the TM₀₂ mode driven by a 600-KV 20-KA electron beam, the peak power efficiency is about 18%.     

梯形波纹同轴慢波结构色散特性及其纵向谐振特性

 利用傅里叶级数展开,给出了一种求解梯形慢波结构表达式的方法。通过数值模拟,研究了级数展开次数对求解精度的影响。当级数为10阶时,线型拟合而成的结构与原结构吻合较好。利用此表达式数值求解了色散方程,得到两个最低阶模quasi-TEM模和A 模。分析了为实现电子束与quasi-TEM模的-1次空间谐波相互作用慢波结构参数所需满足的条件,并指出利用此条件下纵向电场具有表面波的特点可实现横向模式选择。采用S参数理论研究有限长慢波结构的纵向谐振特性,提出在同轴慢波器件中加入同轴引出结构可减少所需慢波结构周期数,这不但使器件结构更为紧凑,还可避免纵模竞争从而提高器件效率、稳定产生微波频率。在此基础上设计了一种L波段同轴相对论返波振荡器,采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。模拟结果表明,该器件具有径向尺寸小、束-波作用效率高的特点。在电子束能量700 keV、电子束流11.5 kA的条件下,器件在频率1.6 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.60 GW,平均效率约为32.3%。     

紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器，通过粒子模拟研究了L波段同轴相对论返波振荡器相互作用的物理过程，并对器件的电磁结构进行了优化和改进。分析表明，采用同轴慢波结构可以在较低的外加磁场下实现L波段返波振荡器的微波输出，同时可以大大减小微波器件的径向尺寸。这是因为同轴慢波结构的TM01模式有类似于TEM模的性质，没有截止频率，但纵向电场不为零，电子束能够与它发生强相互作用过程。粒子模拟优化结果表明，在器件半径仅为4.0 cm，电子束能量240 keV，电子束流1.8 kA，导引磁场仅为0.75 T时，返波振荡器可以在频率1.60 GHz处获得较大功率的微波输出， 平均峰值功率达140 MW，平均峰值功率效率约为32%。     

基于JASMIN并行框架的2.5维粒子模拟程序NEPTUNE2D的研制北大核心CSCD

介绍了2.5维自主研制的并行电磁粒子模拟程序NEPTUNE2D初步研发情况。该程序基于JASMIN并行自适应结构网格支撑框架研制,并行效能高,可扩展性强,且支持动态负载平衡;采用新型PIC算法替代传统算法,避免求解泊松方程修正电场,更适用于大规模并行计算;程序支持r-z坐标系下的器件仿真,可应用于高功率微波器件、电真空器件的快速模拟设计。该程序现已完成电磁场更新、粒子推进、电磁场注入/引出、粒子发射/吸收等基本物理功能模块的研制,并通过同轴线、圆波导、同轴二极管及无箔二极管算例模拟验证了模块的正确性。最后,应用NEPTUNE2D程序设计了一个高效同轴相对论返波管,给出了粒子模拟结果和并行性能测试结果。     

1.6GHz同轴相对论返波振荡器耦合阻抗(英文)

研究了计算同轴正弦型慢波结构耦合阻抗的方法,以及慢波结构参数变化引起的共振点变化对各次空间谐波振幅的影响。得到了1.6GHz同轴相对论返波振荡器耦合阻抗随其慢波结构参数的变化规律,并与相应的效率模拟结果进行了比较。结果表明在近线性范围内耦合阻抗结果和模拟结果符合得很好。并用表面波理论对两种结果之间存在的误差进行了分析。     

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。