向内发射同轴型二极管电流电压关系二维修正

 给出了对同轴型强流电子束二极管的电流电压关系进行的部分理论推导与介绍,同时利用PIC数值模拟以及实验研究得到的二维效应修正关系曲线。在研究中首先给出了对向内发射同轴型二极管在不同电压等级下的电流电压关系,然后用PIC数值模拟方法进行验证。对数值模拟的结果也给出了理论推导公式在不同状态下的二维效应修正因子与电子束流运动的特点。在研究中得到的电流电压关系理论公式基本上反映了不同条件下同轴型二极管的束流特性,所以此研究结果可以直接应用于包含同轴型二极管结构的脉冲功率器件的设计与实验结果的分析中,为实验中相关问题的解决提供设计的依据与理论分析基础。     

超强飞秒激光驱动气体靶致X光源的背光成像

在拍瓦级飞秒激光装置上完成了两轮激光驱动甲烷气体靶的实验,用产生的X光源配合SCCD（转换屏+CCD相机）对小型金属器件背光成像,采用经验公式和PIC数值模拟方法分别预估了超热电子温度,得到X光能量分别为377 keV和130 keV,据此两轮实验分别选择1.3 mm和0.8 mm厚度的轫致辐射体。分析比较了两轮实验背光成像质量。通过对次轮实验图像中铝、铜金属台阶灰度值曲线的分析求得X光的能量分别为49 keV和92 keV,这表明采用PIC数值模拟方法得到的X光能量更加符合实验结果。     

准光腔型虚阴极振荡器的研究

 介绍了准光腔型虚阴极振荡器。利用光学谐振腔标量波动理论，分析了准光学谐振腔的腔场特性；并采用二维半全电磁PIC程序对器件进行了粒子模拟，得到了主频为7.0GHz、平均功率超过1.3GW、以准高斯模为主的微波输出，束波作用平均转换效率接近10%。     

无箔二极管电磁PIC模拟空间电荷限制发射模型比较

 为了在无箔二极管电磁PIC模拟中采用与电磁场自洽的空间电荷限制发射模型，对查尔特定律模型、高斯定律模型和一维二极管模型进行了理论分析和实例模拟比较。模拟结果表明，三种模型都能与电磁场自洽并反映外加磁场对发射电流的影响，但高斯定律模型受网格剖分粗细程度的影响较大且容易产生振荡，一维二极管模型在网格参数合理的情况下结果与查尔特定律模型基本接近，但需要求解超越方程，花费时间多。通过对模拟结果进行分析和比较，认为外加磁场对电子发射模型本身的影响很小，在电磁PIC数值模拟中可以不考虑，因此，查尔特定律模型更适合用于无箔二极管的电磁PIC模拟。     

毫米波回旋超辐射的粒子模拟与实验研究

 为开发回旋超辐射在毫米波和亚毫米波超辐射高功率微波源中的优势,采用3维PIC粒子模拟对回旋超辐射的工作特性进行了分析,并在此基础上优化设计了器件结构及工作参数范围。模拟表明,微波峰值功率与电子束脉宽在一定范围内成平方关系,符合超辐射的典型特征。初步实验在210 kV, 250 A的电子束参数下获得了6 MW的微波峰值功率输出,工作频率37.2 GHz,模式为TE01,与粒子模拟的结果基本一致。     

同轴型强流电子束二极管的一种解析近似

 从描述电子束运动的基本方程出发，引入一定条件下的近似，获得了一种实用的同轴二极管电流、电压与几何参数关系的近似解析解。给出了同轴二极管阻抗、间隙电压分布与二极管外加电压以及结构参数之间的关系式，并与1维模型精确数值解进行比较分析。采用了PIC数值模拟方法对该理论分析结果在常用参数范围内的准确性进行了验证，获得了一致的结果。与相对论条件下的实验结果数据相比，在二极管电压为300～700 kV时实验结果与该理论估算值非常接近。     

0.14THz过模表面波振荡器的模式分析

采用理论分析和实验验证相结合的方法, 研究了0.14 THz过模表面波振荡器(过模比D/λ≈3)中太赫兹波模式成分的分布. 首先针对具有圆周对称结构的过模切连科夫器件, 建立了用于模式分析的纵向场分解法. 接着基于2.5维PIC(Particle-in-cell)软件的电场模拟结果, 采用该方法对0.14 THz表面波振荡器的模式进行了详尽的理论分析. 结果表明, 器件中不同结构区域的太赫兹波模式成分不同, 相互间存在模式转换, 输出模式以TM₀₂和TM₀₃模为主, 并伴有少量TM₀₄模. 最后利用图像显示法获取了0.14 THz表面波振荡器的近场辐射能量分布, 与由模式分析结果得到的理论分布符合的较好, 证明了纵向场分解法用于模式分析的可行性和结果的正确性. 关键词： 过模 表面波振荡器 模式分析 场分解法     

新型高增益太赫兹折叠波导慢波结构

提出采用分段变参数型折叠波导慢波结构提高器件增益的新方法。结合小信号理论分析和束-波互作用的三维PIC数值模拟,进行分段变参数型慢波结构的理论设计研究。通过0.345 THz两段式折叠波导慢波结构的设计实现和模拟验证,结果证明, 相同的电子注工作条件下,两段式慢波结构的电子转化效率和饱和功率相对于传统均匀型慢波结构提高了94%,并可以推广应用到多段式。     

高功率毫米波绕射辐射振荡器高频特性研究

 讨论了高功率毫米波绕射辐射振荡器的高频特性。利用线性理论和PIC模拟相结合的方法对器件的高频特性进行了比较仔细的分析。分析结果表明，合理地选择电子注的参量（电流、电压）及高频结构的尺寸（波纹深度、半径、周期等）可以获得较高的输出功率并且具有较好的频谱纯度。     

全息图像缩放对数字微镜重建显示的影响研究

根据人眼对数字微镜器件成像的响应性质,给出了数字微镜器件重建场的强度表达式.当CCD的面元尺寸与数字微镜器件的镜元尺寸不相等时,在数字微镜器件重建显示系统中将引起数字全息图像的缩放.基于傅里叶光学理论,导出了缩放后数字全息图数字微镜器件重建像的尺寸和中心位置与重建参量的关系.通过理论模拟和数字微镜器件重建显示实验,对分析结果进行了实验验证.     

两腔高功率微波振荡器研究

对一种新型两腔振荡器进行了理论和数字模拟研究.这种结构中的调制腔实现电子束速度调制，调制后的电子束在通过两腔之间一个微波场较弱的区间时实现电子束群聚，然后在换能腔实现电子能量到微波能量的转换，并通过输出结构输出.同时，调制腔和换能腔之间存在微波耦合，换能腔中的一部分微波能量可以耦合到调制腔，形成一个正反馈回路，在一定条件下实行微波振荡.设计了一个X波段的器件，理论效率为294%，25维Particle in Cell(PIC)程序模拟的效率为28%，微波频率为942GHz，微波输出功率为225GW. 关键词： 高功率微波 微波腔 模式 自洽方程     

准两腔振荡器的理论和实验研究

根据两腔振荡器和返波管的特点提出了准两腔振荡器，其作用机理是两腔振荡器的机理，结构类似返波管.这种结构主要由调制腔组和换能腔组两部分组成，调制腔组实现电子束速度调制，调制后的电子束在通过一个微波场较弱的区间时实现电子束群聚，然后在换能腔组实现电子能量到微波能量的转化，并通过输出结构输出；同时，调制腔组和换能腔组之间存在微波耦合，换能腔组中的一部分微波能量可以耦合到调制腔组，形成一个正反馈回路，在一定条件下实现微波振荡.根据此理论，根据Sinus-700加速器的参数(800 kV，10 kA)设计了一个X波段的高功率微波器件，2.5维Particle in Cell (PIC)程序模拟的效率为28%，微波频率为9.42GHz，微波输出功率为2.25GW，实验上得到的微波输出为微波频率9.40GHz，微波输出功率2.44GW. 关键词： 两腔振荡器 返波管 多波切仑可夫微波器件     

用于太赫兹源粒子模拟的有限电导率模块研制

针对THz频段微电真空器件波导壁面材料电导率及加工粗糙度引发损耗的模拟需求,研制了有限电导率模块,并将其添加进三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D。介绍了有限电导率的时域有限差分显格式及时谐场近似解方法,针对上述方法的优缺点,提出了基于扩散方程隐格式的有限电导率模块算法,该算法具备无条件稳定、普适性好的优点。利用矩波导常见电磁波模传输损耗算例,测试了自编的有限电导率模块,测试结果与理论值及同类商业电磁软件计算结果进行了比对,验证了模块的可靠性。利用添加有限电导率的三维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE3D,模拟了材料电导率以及表面粗糙度对0.22 THz折叠波导行波管性能的影响,模拟结果表明,材料电导率及表面粗糙度会显著降低器件输出功率和增益水平。综合色散关系、耦合阻抗、衰减常数等因素,给出了器件结构参数设计建议,并指出:通过增加电子束流、注入信号功率以及慢波结构周期数目等方式可一定程度上提高器件输出功率水平。     

高功率微波介质窗表面矩形槽抑制二次电子倍增

为深入研究高功率微波(HPM)作用下介质窗沿面击穿破坏的物理机制,探索提高闪络场强阈值的方法和途径,开展了介质窗表面矩形刻槽抑制电子倍增的理论与试验研究。首先根据动力学方程建立了介质窗表面电子倍增模型并分析了介质窗槽内电子运动轨迹,考虑了矩形槽结构对表面微波电场的影响,理论分析表明在闪络击穿的起始和发展阶段矩形槽可有效抑制电子倍增。在S波段(2.86 GHz,脉宽1μs)下开展了介质窗表面矩形刻槽的击穿破坏试验,试验结果发现表面矩形刻槽可大幅度提高微波传输功率,在槽深(1.0mm)一定时不同的刻槽宽度(0.5 mm和1.0 mm)对应的微波功率抑制范围不同。采用PIC-MC仿真模拟槽内倍增电子的时空演化,仿真结果很好地验证了试验现象。     

Ka波段带状注相对论扩展互作用振荡器的模拟设计

利用三维粒子仿真软件,对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用振荡器进行了模拟仿真设计。采用宽高比为30∶1的带状电子束以降低空间电荷效应,选择多间隙耦合腔为高频结构以增加器件功率容量,在电子束电压为400kV、束流为2kA、轴向引导磁感应强度为1T的情况下,器件输出微波功率为240 MW,频率为30GHz,效率为30%。     

Free electron laser based on the Smith–Purcell radiation

A Smith–Purcell (S–P) free electron laser (FEL) composed of a metallic diffraction flat grating, an open cylindrical mirror cavity and a relativistic sheet electron beam with moderate energy, is presented. The characteristics of this device are studied by theoretical analysis, experimental measurements and particle-in-cell (PIC) simulation method. Results indicate that coherent radiation with output peak power up to 50 MW at millimeter wavelengths can be generated by using relativistic electron beam of moderate energy.     

Design of a C-band relativistic extended interaction klystron with coaxial output cavity

In order to overcome the disadvantages of conventional high frequency relativistic klystron amplifiers in power capability and RF conversion efficiency, a C-band relativistic extended interaction klystron amplifier with coaxial output cavity is designed with the aid of PIC code MAGIC. In the device, disk-loaded cavities are introduced in the input and intermediate cavity to increase the beam modulation depth, and a coaxial disk-loaded cavity is employed in the output cavity to enhance the RF conversion efficiency. In PIC simulation, when the beam voltage is680 k V and current is 4 k A, the device can generate 1.11 GW output power at 5.64 GHz with an efficiency of 40.8%.     

轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器

 轴向提取矩形波导TE₁₀模虚阴极振荡器可以不需要模式转换器或弯曲过渡波导而直接通过天线轴向辐射微波，从而使微波源及其辐射系统更加紧凑。粒子模拟结果表明，在400 keV，8.9 kA的束流条件下，轴向提取矩形波导TE₁₀模虚阴极振荡器在2.12 GHz处可以获得功率为500 MW的高功率微波输出，功率效率为14%，频率、模式纯净。这些结果为相同波段同类装置的小型化提供了一条可能的技术途径。     

单电子束双波段同轴相对论返波管粒子模拟

设计了一种能在C波段和X波段实现稳定双频输出的带有非对称谐振反射腔的单电子束同轴相对论返波振荡器。采用耦合阻抗跃变型慢波结构,使用粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示:轴向电场在系统中的分布得到改进,电子束的能散得到改善。在电子束电压511 kV,电流8.95 kA,引导磁场0.73 T的条件下,双频器件实现了8.09 GHz和9.91 GHz的双波段频率稳定输出,平均功率为1.0 GW,波束互作用效率为21.9%, 效率高于空心双波段返波管及其他双波段器件。器件辐射功率的拍频为1.82 GHz,拍波更为明显和稳定。模拟研究中同时发现, 随着慢波结构之间漂移段的变化,双频频率都呈现一种准周期的变化。     

C波段谐振式相对论返波振荡器设计及其高频特性

设计了一种C波段谐振式相对论返波振荡器,分析了其结构特点和工作的物理机制。利用粒子模拟方法研究了器件的工作特性,发现插入段长度和反射器半径的选取对该类器件的效率非常关键;在二极管电压为0.5~1.0 MV范围内,所设计的器件的效率为20%~25%,频率保持在4.25 GHz附近。结合对器件实际高频结构的电动力学特性分析,重点研究了纵向谐振模式、品质因数等特点,结果表明该器件工作在2π/5模、品质因数约为100时功率效率最高。在此基础上,解释了谐振式相对论返波振荡器具有适用的电子束范围宽、频率稳定等特点的原因,并对该类器件的相关设计原则进行了分析验证。