一种高效率和高功率的双同轴虚阴极振荡器

 提出了一种双同轴虚阴极振荡器，并对其进行了理论分析和数值模拟。这种振荡器采用了一种新的能量提取结构，将波束相互作用和能量提取分开进行。提取区内轴的左端面可以反射微波，为波束相互作用提供反馈机制；同时还可以吸收在下游漂移的电子，这有利于输出功率和效率的提高。在器件的入口处注入峰值电压为500kV的梯形脉冲时，模拟得到了瞬时峰值功率大于2.5GW，周期平均的峰值功率约1.2GW的微波输出，频率为2.175GHz，能量提取效率达到11％。输出的微波保持了传统同轴虚阴极振荡器的优点，模式纯度高、谱宽非常窄。     

微波输出窗内表面闪络击穿3维全电磁等离子体流体模拟北大核心CSCD

通过建立电磁场等离子体流体耦合物理模型,基于自主研发的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D,编制了3维电磁场与等离子流体耦合程序模块,对1.3GHz高功率微波窗内表面闪络击穿物理过程进行了数值模拟。研究结果表明:微波窗内侧表面形成的等离子体构型与初始种子电子分布形式密切相关。中心点源分布下,等离子体发展为"蘑菇"形状,输出微波脉冲缩短并不严重,等离子体吸收微波功率大于反射微波功率;面源分布下,等离子体发展为"帽子"形状,输出微波脉冲缩短严重,输出微波完全截断,开始阶段等离子体吸收微波功率占优,待等离子体密度增加到一定程度后,反射微波功率占优。通过降低窗体表面场强、表面释气率及初始种子电子密度等方法,可不同程度地延长输出微波脉冲宽度。窗体表面不同气体层厚度对闪络击穿下的输出微波脉冲宽度影响不大。     

介质窗横向电磁场分布下的次级电子倍增效应

本文利用自编P3D3V PIC程序, 数值研究了BJ32矩波导传输TE₁₀模式高功率微波在介质窗内、 外表面引发的次级电子倍增过程, 给出了次级电子3维空间位置分布特征、介质窗表面法向静电场分布规律以及电子数密度分布特性. 模拟结果表明: 对于介质窗内侧, 微波强场区域率先进入次级电子倍增过程; 而对于介质窗外侧, 则是微波弱场区域优先进入次级电子倍增过程. 形成机理可以解释为: 微波坡印廷矢量方向与介质窗外表面法向相同而与内表面法向相反, 内侧漂移运动导致强场区域电子易于被推回表面, 有利于次级电子倍增优先形成; 外侧漂移运动导致强场区域电子易于被推离表面, 不利于次级电子倍增形成. 准3维模型相对1维模型: 介质窗内侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间长、饱和次级电子数目少、平均电子能量高、 入射微波功率低、沉积功率低; 介质窗外侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间短、饱和次级电子数目少、平均电子能量低、 入射微波功率低、沉积功率低. 沉积功率与入射微波功率比值与微波模式、强度及介质窗内外侧表面关系不大, 准3维和1维模型计算结果均在1%–2%左右水平. 关键词： 高功率微波 介质表面次级电子倍增 粒子模拟 横向电磁场分布     

高功率微波及材料特性参数对沿面击穿的影响

为研究高功率微波及材料特性参数对介质沿面闪络击穿过程的影响,采用自编的1D3V PIC-MCC程序,通过粒子模拟手段,得到了电子与离子数目、电子及离子密度分布、空间电荷场时空分布、电子平均能量、放电功率、表面沉积功率、激发电离损耗功率、电离频率等重要物理量。结果表明:电离频率随场强增加而增加,达到饱和后缓慢下降,强场诱发的二次电子数目更多导致本底沉积功率增高;电离频率随频率减小而增加,达到饱和后缓慢下降,频率太高会抑制次级电子倍增;因此,低频强场下击穿压力较大;反射引发表面电场下降及磁场增加效应,降低表面场强虽使表面击穿压力下降,但磁场的增加会导致二次电子倍增起振时间缩短,且会增加器件内部击穿风险;圆极化相对线极化诱导二次电子数目更多、本底沉积功率更高,击穿风险增加;短脉冲产生电子、离子总数少,平均能量低,沉积功率低,击穿风险低于长脉冲;脉冲上升时间的缩短和延长,只会提前或推后击穿时间,并不会改善击穿压力;材料二次电子发射率的增加会给击穿造成巨大压力,表面光滑度对击穿过程影响不大;电离频率和电子平均能量随释气压强增加均先增加后减小,低气压二次电子倍增占优,高气压碰撞电离占优。     

全腔输出相对论磁控管输出模式转换结构的理论设计和数值模拟

采用全腔输出结构后,相对论磁控管径向尺寸显著减小,轴向长度也有较大幅度的缩短.但是,由于输出结构为三个相对独立的扇形波导,实际应用时,一般需要对微波输出模式进行转换.针对全腔输出相对论磁控管,本文研究了两种输出模式转换结构并利用三维全电磁粒子模拟程序对其进行了研究.首先研究了将三个扇形波导角向增宽从而渐变或者突变为一个同轴波导的情况,研究结果表明,两种情况下输出微波功率均大于采用传统三个独立扇形波导输出时的90%,输出模式主要是TEM模.其次研究了输出区由三个扇形输出波导分别变换为三个截面大小与之接近的矩形输出波导的可行性,研究结果表明,注入扇形波导中的TE₁₁模式几乎全部转换为矩形波导中的TE₁₀模式.实际应用时,可根据需要选择上述输出模式转换结构.     

高效率超辐射相对论返波管

对新型同轴单程超辐射相对论返波管振荡器进行了进一步的研究。该振荡器的互作用区为同轴结构,外导体为一波纹波导,内导体为一光滑圆波导;辐射场从左端耦合到圆波导后输出,不需要截止颈。通过增加波纹周期数并调整互作用区末端波纹深度,器件的功率转换效率得到进一步的提高。当电子束电压为360 kV,电流为9.15 kA,外加磁场强度为2.7 T时,通过参数优化,模拟获得了瞬时峰值功率超过18 GW、脉冲宽度约400 ps,中心频率为8.1 GHz的微波输出,平均功率转换效率达到了275%。     

磁绝缘线振荡器阴极释气电离粒子模拟

阴极释气电离产生的击穿现象是限制磁绝缘线振荡器(MILO)工作性能的一个可能因素,也是限制其重频运行的主要障碍。利用三维全电磁粒子模拟程序对高功率微波器件MILO中阴极释气电离现象的物理建模技术以及实现三维自洽运算所需的粒子模拟技术进行了分析研究。对不同相对释气率的情况进行了模拟计算,模拟计算结果表明,当释气率超过一定阈值时,电离导致的等离子体会使微波输出功率迅速下降。     

结构参数对折叠波导行波管工作性能的影响

分析和计算了互作用区折叠波导截面长宽比(b/a)、直边高度和电子束通道大小等结构参数对太赫兹波段折叠波导行波管工作性能的影响。结果表明:互作用区衰减常数随b/a的增大而减小, 耦合阻抗和小信号增益则随b/a的增大先增加而后减小, 存在最优值。电子束通道越大, 衰减常数越大, 耦合阻抗和小信号增益降低得越多。相对于电子束通道, 增益和损耗对直边高度的敏感程度显著降低。因此为了提高器件功率容量, 可适当增加折叠波导的高度;在保证电子束能够顺利传输的前提下, 电子束通道越小越好。在折叠波导行波管的实际研制中, 可依据具体的实验条件和要求, 在适当的范围内合理选取互作用区各结构参数的值。     

一种新型的高功率高频率同轴渡越时间振荡器

 提出了一种高频率和高功率的渡越时间振荡器,并且对其进行了理论和数值研究。这种振荡器采用同轴结构，功率容量大，不需要外加引导磁场聚焦电子束，波束相互作用区短，保持了传统渡越时间振荡器在结构上的简单性和输出信号的稳定性；运用电压为225kV和电流为11kA的电子束进行模拟，在X波段获得了峰值功率为1.4GW，频率为8.335GHz的微波输出。     

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。