透明阴极实现相对论磁控管跳频的仿真北大核心CSCD

基于一个6腔同腔结构相对论磁控管,透明阴极金属条个数与磁控管腔数相同时相对论磁控管易于工作在2π模式,减少为腔体数目一半时易于工作在π模式,提出了旋转扇形透明阴极金属条角向位置实现相对论磁控管中心频率跳变的方案.经仿真优化,设计了外径15mm,6个扇形金属条的透明阴极,每个扇形金属条的角向宽度为20°.运用粒子模拟软件,仿真分析了角向位置金属条与阳极块相对应及金属条与谐振腔相对应两种情况,在工作磁场保持0.75T,调节工作电压在600~800kV 内变化时,模拟结果表明,相对论磁控管可以很稳定地分别工作在2π模式和π模式,即通过旋转透明阴极实现相对论磁控管频率跳变.     

相对论磁控管透明阴极的仿真与实验

 基于一个6腔异腔结构相对论磁控管,运用粒子模拟仿真软件,对同轴阴极和透明阴极的特性进行仿真和实验研究。经仿真优化,设计并制作了一支3个带的透明阴极。粒子模拟结果表明,在相同条件下透明阴极比同轴阴极电子群聚时间大大缩短,起振时间大幅减小,整管效率提高约1倍,输出微波频谱更纯,模式竞争更小。实验结果表明,相同条件下,应用透明阴极所得到的微波脉宽较宽,在S波段获得721 MW的微波功率输出。说明应用透明阴极能缩短相对论磁控管起振时间,与粒子模拟结果相符。     

扇形多注强流相对论电子束的产生与传输研究

多注相对论速调管相对于常规相对论速调管, 每注电子束具有更低的导流系数和更低的空间电荷力, 却具有更高的束波转换效率. 本文基于这方面的需求, 通过三维软件模拟与实验研究了扇形多注强流相对论电子束的产生与传输. 通过建立电子枪的三维模型, 分析了阴极端面静电场的分布及其对电子束产生的影响; 通过粒子模拟获得了发射束流, 然后通过粒子跟踪仿真, 得到了电子束在空心漂移管和多扇形孔漂移管中传输的束斑图, 并对其进行了理论分析与解释. 模拟和实验结果表明, 电子束在空心漂移管传输过程中不仅绕束自身中心旋转, 还绕系统的中心旋转, 通过旋转多扇形孔漂移管实现对中的方法可提高传输效率.     

相对论全腔轴向提取磁控管阳极释气数值模拟研究

相对论电子轰击阳极产生二次电子和释气以及释气电离产生的击穿现象是限制全腔轴向提取透明阴极磁控管（TCMAC）工作性能的一个重要因素。本研究对TCMAC中轰击产生的阳极二次电子以及释气电离现象进行了物理建模以及三维数值模拟研究,考察了其对TCMAC运行性能的影响。初步计算结果表明,二次电子发射与阳极释气对TCMAC工作都有一定影响,释气后电离产生的正离子数大于系统中电子数时,会导致TCMAC击穿。     

相对论磁控管中自磁场的影响

针对相对论磁控管中自磁场的产生与分布、自磁场对电子运动的影响以及自磁场对互作用的影响进行了深入分析。分析认为,由于自磁场分布的不对称,自磁场对不同区域电子束的作用不同。加速器一侧的电子束受到更明显的自磁场作用,促使此区域的电子束角向速度增加,直接激化模式竞争。同时,如果阴极比较靠近加速器一侧的1/4区域(距磁控管对称中心大约1/4高度),模式竞争将进一步被激化。     

A6相对论磁控管模式切换射频信号馈入方法

目前国际上提出了采用短脉冲射频（RF）信号实现相对论磁控管的模式切换,数值模拟经证实了可以采用几十kW到几百kW的RF信号实现相对论磁控管采用轴向提取功率的相邻模式以及同一模式的不同纵向模式之间的切换,这里假设所需的RF信号的能量已经馈入到相对论磁控管腔体内。提出了实验系统中采用扇形波导和探针天线来馈入前级微波源来提供模式切换所需的RF信号的能量的方法。该方法分为两个步骤,首先采用扇形波导来将前级微波源提供的能量馈入到相对论磁控管的阳极体中;然后利用探针天线将馈入的RF信号辐射至相对论磁控管腔体内,提供模式切换所需的能量。数值模拟证实了该方法在实际应用中具有可行性以及实用性。     

全腔输出半透明阴极相对论磁控管的结构改进和性能提升

对全腔输出半透明阴极相对论磁控管做了进一步的改进,并对其进行了物理分析和三维全电磁粒子模拟研究。通过半透明阴极结构的改进,即改变阴极角向方位和阴极发射面高度参差设计以及局部参数优化,使得在较宽的工作参数范围内,器件起振初期可能出现的模式竞争得到抑制,起振时间进一步缩短,同时输出效率得到较大提高。在注入电子束电压和电流分别约为518 kV和4.1 kA、外加磁场为0.575 T时,模拟在S波段获得了效率大于66%、功率约1.42 GW的微波输出。同时还给出了电子束电压和外加磁场等参数在一定范围内变化时对输出性能的影响规律。研究结果可应用于高效紧凑型相对论磁控管的实验研究。     

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%。     

阴极帽结构L波段相对论磁控管的效率提升（英文）

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%。     

强流相对论多注电子束研究进展

研制了基于爆炸发射的扇形和圆柱形多注阴极系统,并开展了强流相对论多注电子束的实验研究。研究发现:扇形多注阴极由于发射端面电场分布严重不均,电子束主要由尖端发射,束斑畸变明显,当每注扇形电子束进入到多注扇形漂移管内时,在空间电磁场的作用下电子束会绕束心旋转,导致束斑的畸变和束流的损失;圆柱形多注阴极发射端电场分布相对均匀,电子束斑畸变较小,每注电子束在多注漂移管内绕束心的旋转不会引起束斑的畸变和束流的损失;由于阴极杆和多注阴极柱的发射,多注电子束品质较差,进入多注漂移管时存在电子束轰击管壁现象,造成束流的损失甚至截止。采用大内径磁场可增大阳极筒内半径,明显提高束流的传输效率。目前,采用功率约6.5 GW、传输效率约89%的相对论多注电子束驱动的多注速调管,可实现GW量级的微波输出。     

Performance Improvements in the Relativistic Magnetron: The Effect of DC Field Perturbations

The effect of using a shaped or transparent cathode to enhance key performance parameters in the Michigan magnetron, such as output power, power efficiency, and mode purity, was examined using a massively parallel electromagnetic particle-in-cell code Improved Concurrent Electromagnetic Particle-In-Cell. In simulations, we saw a dramatic increase in the range of magnetic field and input voltage over which the magnetron functions, an increase in output power, an increase in efficiency, an elimination of mode competition, and immediate start-up for both the shaped and transparent cathodes relative to the standard cathode. These simulations also revealed that the mechanism that is responsible for the improved performance that accompanies the transparent cathode may not be RF-azimuthal-field penetration but rather perturbations in the “dc” field resulting from the design of the novel cathodes themselves.      

相对论磁控管的实验研究

简要分析了相３对论磁控管的主要特点与问题，编制了谐振系统数值计算程序，通过数值计算与冷测，对不同阴极尺寸与输出结构的磁控管进行了研究，清晰地描述了磁控管的振荡模式与简并现象。制作了Ａ６型相对论磁控管并进行了热测实验，研究了输出功率与工作磁场的关系，经过大量优化工作，在Ｓ波段获得了３８０ＭＷ的微波辐射。     

Rapid start of oscillations in a magnetron with a "transparent" cathode

We report on the improvement of conditions for the rapid start of oscillations in magnetrons by increasing the amplitude of the operating wave that is responsible for the capture of electrons into spokes. This amplitude increase is achieved by using a hollow cathode with longitudinal strips removed, thereby making the cathode transparent to the wave electric field with azimuthal polarization. In addition, an optimal choice of the number and position of cathode strips provide favorable prebunching of the electron flow over the cathode for fast excitation of the operating mode. Particle-in-cell simulations of the A6 magnetron demonstrate these advantages of this novel cathode.     

碳碳复合阴极在相对论速调管放大器中的应用北大核心CSCD

研制了一种碳纤维分布具有高取向性的碳碳复合材料,并采用该材料制作的阴极开展了相对论速调管放大器的实验研究。实验结果表明:碳碳复合阴极爆炸发射的点火机制以尖端场增强为主,运行1000发后碳纤维结构稳定,重复频率25Hz运行时输出微波功率大于1GW,脉冲宽度大于100ns,阴极发射电流密度约3.82kA/cm2。碳碳复合阴极在启动速度、电流延迟时间及阻抗特性等方面性能还有待进一步的研究。     

Diode plasma effects on the microwave pulse length fromrelativistic magnetrons

A model to account for the shortening of the relativistic magnetron microwave pulse length based on radial cathode plasma motion is put forth and corroborated with measurements. If the dense, conducting, cathode plasma (and not the cathode itself) sets the diode electrostatic and microwave boundary conditions, its motion changes the magnetron resonance condition. Time varying microwave power envelopes and frequencies are both expected and observed. Based on the cathode plasma expansion rate, the main plasma ton constituent is inferred to be hydrogen. A magnetron experiment to defeat the pulse-shortening mechanism by heating the resonator successfully lengthened the pulse from 100 to 115 ns