C波段相对论磁控管的三维粒子模拟研究

利用场论的方法推导了6腔扇形腔结构相对论磁控管的色散关系,并用牛顿迭代法对色散关系进行了求解,得到了色散关系曲线.利用三维PIC粒子模拟,对该结构的相对论磁控管分别进行了冷腔和热腔研究,冷腔研究得到了7π模谐振频率为2.42GHz,与本文理论推导的色散关系有很好的一致性.在热腔情况下,电子能量为437keV,电子束流为12.2kA,外加磁场为0.6T,模拟得到了频率为4.5GHz,平均峰值功率为0.96Gw的C波段的高功率微波输出,分别通过相空间图和不同腔内射频场随时间的变化曲线可以确定器件工作在2π模,效率约为18%,且频谱纯净.当进一步对参数进行优化后,在注入的电子能量和电子束流分别为1.05MeV和20.7kA,外加磁场为0.7T时,得到平均功率达到约4.4GW,频率为4.37GHz微波输出,效率约为20%.     

相对论磁控管的实验研究

简要分析了相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。     

X波段多频相对论返波振荡器的粒子模拟

采用过模同轴波纹型返波管,其互作用区由2段周期不同的波纹慢波结构组成,利用粒子模拟软件MAGIC进行数值模拟,得到了X波段稳定的3个频率微波输出。粒子模拟的结果为：在强流电子束电压为570 kV,电流为11.4 kA,引导磁场为0.72 T的条件下,获得的3个频率分别为9.575,10.025和10.475 GHz,总微波功率为1.0 GW,效率为15.4%。通过对电压的调节,进一步获得了4个频率的微波输出。     

X波段多频相对论返波振荡器的粒子模拟

采用过模同轴波纹型返波管,其互作用区由2段周期不同的波纹慢波结构组成,利用粒子模拟软件MAGIC进行数值模拟,得到了X波段稳定的3个频率微波输出。粒子模拟的结果为:在强流电子束电压为570 kV,电流为11.4 kA,引导磁场为0.72 T的条件下,获得的3个频率分别为9.575,10.025和10.475GHz,总微波功率为1.0 GW,效率为15.4%。通过对电压的调节,进一步获得了4个频率的微波输出。     

C波段相对论行波结构放大器设计

根据盘荷加载慢波结构的色散关系,设计了C波段高功率行波结构放大器,器件采用轴向微波功率提取降低输出端的反射,并在隔离段中加入微波吸收体切断放大器中自激振荡的正反馈过程,输出腔采用锥形过渡以降低Q值,减少电子注回流,有效抑制了放大器中自激振荡。在2.5维PIC模拟中得到功率890 MW、频率5.64 GHz的微波输出,增益35.6 dB,效率32%。     

C波段相对论行波结构放大器设计

根据盘荷加载慢波结构的色散关系,设计了C波段高功率行波结构放大器,器件采用轴向微波功率提取降低输出端的反射,并在隔离段中加入微波吸收体切断放大器中自激振荡的正反馈过程,输出腔采用锥形过渡以降低Q值,减少电子注回流,有效抑制了放大器中自激振荡。在2.5维PIC模拟中得到功率890MW、频率5.64 GHz的微波输出,增益35.6 dB,效率32%。     

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。     

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。     

S波段可调谐相对论磁控管的初步设计

 设计了一种可机械调谐的S波段相对论磁控管，该管采用由5个扇形腔和5个矩形腔组成的旭日型磁控管方案，通过小腔滑块移动实现调谐。利用等效电路法和高频场分析软件与粒子模拟软件分析了器件的性能。初步模拟结果表明：调谐相对带宽可达20％，当电压为650kV，磁场为0.6T时，全带宽内输出功率大于600MW，在大部分带宽内峰值功率大于900MW。     

S波段可调谐相对论磁控管的初步设计

设计了一种可机械调谐的S波段相对论磁控管,该管采用由5个扇形腔和5个矩形腔组成的旭日型磁控管方案,通过小腔滑块移动实现调谐。利用等效电路法和高频场分析软件与粒子模拟软件分析了器件的性能。初步模拟结果表明：调谐相对带宽可达20％,当电压为650kV,磁场为0.6T时,全带宽内输出功率大于600MW,在大部分带宽内峰值功率大于900MW。     

An Unmagnetized Plasma-Loaded Relativistic Backward-Wave Oscillator: Experiment and Simulation

Reported in this paper are the results of an experiment to produce high-power microwave radiation from a gas-filled backward wave oscillator (BWO) driven by a relativistic electron beam without external guiding magnetic field. A peak power for background gas pressure at 5.25 mTorr has been observed as argon pressure from 0.75 mTorr to 15 mTorr. Operating frequency of the oscillator has been measured at 9.6 ± 0.4 GHz. The results of PIC simulation are in good agreement with the experimental results. A reasonable explanation is given for experimental results by PIC simulation.     

相对论磁控管透明阴极技术作用机理研究

透明阴极技术对相对论磁控管振荡启动过程具有显著影响,但其加速启动过程的作用机理仍有待深入研究。对采用扇形单元透明阴极的L波段相对论磁控管进行数值模拟,分析了场分布模式和带电粒子空间运动规律,发现透明阴极与实心阴极在磁控管振荡启动过程的差异。可见透明阴极带来的静电场角向分量与外加轴向磁场引起的洛伦兹力,对初始工作状态的电子具有向阳极加速漂移的作用。采用透明阴极的相对论磁控管的电子轮辐外缘更贴近阳极,群聚电子在轴向上具有随距离连续变化的速度分布,使得电子与高频电磁场的能量交换更加充分。对扇形阴极单元的个数与张角组合的匹配效果进行了模拟,给出了磁控管振荡建立阶段静电场角向分量对阴极电子发射与漂移运动的作用规律。透明阴极的设计需要与磁控管慢波结构相匹配,以得到最优化的工作状态。     

Linear Analyses of Langmuir and EM Waves in Relativistic Hot Plasmas

The linear Langmuir and electromagnetic (EM) waves in relativistic hot plasmas are discussed, and the dispersion relations are obtained based on the covariant Maxwell's and fluid equations. When kBT/mc²>1, the effective mass of electrons will be increased obviously. As the results, many other influences are induced, such as the decrease of the plasmas frequency and the critical frequency, the reduction of the electron sound velocity and the electrons' oscillation velocity, and so on. Numerical results show that these influences can affect the dispersion relations of Langmuir and EM waves seriously even in linear regime.     

同轴引出相对论返波管

提出一种新型相对论返波管 同轴引出相对论返波管结构。首先,利用KARAT软件对这种结构进行了2.5维全电磁粒子数值模拟,经过参数调整,输出的微波脉冲功率为2.0GW,微波频率为9.28 GHz,转换效率达45%。并在模拟中对电子束与电磁波的作用过程进行了跟踪和分析;然后利用SUPERFISH软件对此结构中的场分布进行了计算,结合PIC模拟结果,初步证明了由于内导体的引入改变了返波管末端的反射,有利于电子束与电磁波的能量交换。     

三维面向对象的并行粒子模拟程序PLASIM3D

设计了基于区域分解的三维粒子模拟的并行算法,基于消息传递环境(MPI)编制了三维面向对象的并行粒子模拟程序PLASIM3D(PlasmaSimulator分别取前3个字母,3D表示三维).对激光与低密度等离子体薄靶相互作用问题作了粒子模拟计算,验证了该并行程序.最后在高性能并行机上测试并分析了并行性能,获得了接近线性的加速比.     

3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D

介绍了自行研制的3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D。在该软件中,电磁场量用二阶精度的时域有限差分方法迭代,粒子用相对论牛顿-洛仑兹力方程推进。该软件拥有复杂器件的几何建模和网格自动剖分的功能,具有模拟相对论返波管、虚阴极振荡器、磁绝缘线振荡器等高功率微波器件的能力。且该软件具有强大的后处理功能,可以显示电场、磁场、电流、电压、功率、频谱、粒子相空间等。在高性能并行计算机上对软件的并行效率进行了测试。通过与2.5维UNIPIC软件的结果进行比较,验证了UNIPIC-3D软件的正确性。     

Backward Wave Oscillators With Coaxial Structures: Dispersion Relation and PIC Simulation

The dispersion relation of a corrugated—wall resonator with an inner coaxial structure has been analyzed as well as the effects of the corrugation period, amplitude and the radius of the coaxial structure on it. Furthermore, we got an output power of 2.1GW at frequency 11.09GHz in a non-uniform slow wave structure by using the PIC simulation software—MAGIC.     

高功率微波器件中脉冲缩短现象的粒子模拟

脉冲缩短是高功率微波器件的一个普遍现象，它阻碍了输出微波能量的进一步提高，是高功率微波研究领域中急待解决的问题.以相对论返波管作为研究对象，运用粒子模拟的方法，研究了器件表面的爆炸发射、电子束电压和电流的脉动对输出微波性能的影响，从中得到了一些有益的结论，指出由强电场引起的慢波系统表面的爆炸发射是产生脉冲缩短的重要因素 ，电子束电流和束电压的脉动也会引起脉冲缩短，并提出了相应的克服方法. 关键词： 高功率微波器件 相对论返波管 脉冲缩短 粒子模拟