一种5.8 GHz磁控管粒子模拟

借助3维粒子仿真软件对一种新型18叶片5.8 GHz磁控管进行了动态模拟,比较了爆炸式发射与电子注发射的不同。利用磁路电子注发射方式针对不同的阴极发射电流进行了动态模拟,得到了不同发射电流条件下磁控管的工作特性。同时,利用FEMM仿真软件对磁控管磁路进行了仿真,得到了磁控管互作用空间的磁场分布,并在此基础上,对非均匀磁场下磁控管动态性能进行了模拟。     

非均匀磁场下14叶片5.8 GHz磁控管的三维数值模拟

频谱噪声的抑制问题一直是磁控管的研究重点。对14叶片5.8 GHz磁控管进行了三维建模,包括阴极、叶片、隔膜带、极靴和输出天线等。使用冷腔模拟得到了模腔体频率5.86 GHz。热腔模拟计算得到7个电子轮辐,说明管子在模正常工作。在某种极靴结构下,计算得到腔体中存在一个近似二次曲线的非均匀磁场分布。在阳极电压4.5 kV、非均匀磁场中心值0.289 T时,模拟得到输出频率5.891 GHz,阳极电流1.55 A,输出功率4.9 kW,电子效率70.3%的结果。输出频谱比较干净,抑制了非模式的工作,提高了工作效率。     

5.8 GHz磁控管的数值模拟和实验研究

C波段高稳定度磁控管是目前磁控管的研究重点。对5.8 GHz磁控管进行模拟研究,冷腔计算磁控管模频率为5.863 GHz,阳极用双端双隔模带结构磁控管的工作频率与相邻模式频率分隔度为44%。模拟磁控管输出频率为5.856 GHz,输出微波功率约1.2 kW。对研制的磁控管进行注入锁定实验研究,输出微波功率1.047 kW,效率约为58%。磁控管锁频锁相后输出的频率和相位稳定。     

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π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     

同心圆环形场发射阵列阴极的粒子模拟

模拟了同心圆环形发射阵列阴极的特性，采用时域有限差分法计算了电场，利用Ｆｏｗｌｅｒ－Ｎｏｒｄｈｅｉｍ方程计算锥尖处的发射电流，利用Ｌｏｒｅｎｔｚ方程计算了电子的运动轨迹，得到了微阴极电子运动轨迹，相空间图以及电子束的发散度，亮度等，结果表明该结构能形成良好的聚焦电子束。     

爆炸电子发射边界的粒子模拟实现

 介绍了自行研制的全电磁柱坐标粒子模拟程序的电流分配方法和金属爆炸电子发射边界的模拟实现，该电流分配方法满足电荷电流连续性方程，避免了繁琐的泊松修正，适用于复杂边界物理问题的模拟研究。基于此电流分配方法的基础上，给出了建立在高斯定理基础上的简单且易于程序实现的阴极发射边界算法。利用该程序对平面二极管电子发射现象的模拟结果证明了算法的正确性。     

径向非均匀磁场下的磁控管工作性能模拟

为了改善磁控管的输出频谱,使模拟结构更接近实际情况,考虑了磁钢和极靴的实际尺寸。用MAFIA对磁控管内的磁系统进行建模和模拟。得到的磁场纵向分布有随着径向半径的增大而增大的趋势,这种径向不均匀性与实验测试结果一致。将非均匀的径向阶梯形变化磁场分布带入腔体热测计算,模拟得到的π模工作频率2.437 GHz,实际工作频率2.450 GHz,相对偏差0.5%,并在高频谐波的抑制上获得了输出频谱的显著改善,使微波炉磁控管具有更好的电磁防护和实际应用。     

强流电子束源阴极等离子体的粒子模拟

模拟了强流电子束源阴极表面附近区域数密度约1014 cm-3的等离子体的膨胀过程,观察到等离子体膨胀速度约为1 cm/μs。通过观察不同时刻阴极附近电子和离子的相空间分布、数密度分布和轴向电场分布,分析了等离子体膨胀过程。结果表明:等离子体的产生使得阴极表面电场增强,进而增大阴极的电流发射密度,电流密度增加使得空间电荷效应增强,并使等离子体前沿处的电场减小,当等离子体前沿处的电场减小到零时等离子体向阳极膨胀。讨论了等离子体温度、离子质量、束流密度和离子产生率对等离子体膨胀速度的影响。结果表明:等离子体的膨胀速度随着等离子体温度升高而增大,随离子质量增大而减小,但膨胀速度不等于离子声速;等离子体产生率越小,等离子体膨胀速度越小。     

同心圆环型场发射阵列阴极的粒子模拟

 模拟了同心圆环型场发射阵列阴极的特性。采用时域有限差分法计算了电场，利用Fowler-Nordheim方程计算锥尖处的发射电流，利用Lorentz方程计算了电子的运动轨迹。得到了微阴极电子的运动轨迹、相空间图以及电子束的发散度、亮度等，结果表明该结构能形成良好的聚焦电子束。     

同心圆环型场发射阵列阴极的粒子模拟

模拟了同心圆环型场发射阵列阴极的特性。采用时域有限差分法计算了电场,利用Fowler-Nordheim方程计算锥尖处的发射电流,利用Lorentz方程计算了电子的运动轨迹。得到了微阴极电子的运动轨迹、相空间图以及电子束的发散度、亮度等,结果表明该结构能形成良好的聚焦电子束。     

等离子体融断开关磁场Hall渗透机制的模拟研究

利用自行研制的2-1/2维全电磁柱坐标粒子模拟程序对等离子体融断开关磁场渗透机制进行了模拟研究。模拟结果表明在磁场Hall渗透机制特征长度远远小于等离子体离子的无碰撞趋肤深度的条件下,等离子体内部磁场渗透过程主要由电子流体运动的Hall项来控制。对于等离子体空间分布存在较大的密度梯度的物理问题,必须考虑二维空间特性对磁场渗透速度的影响。在磁场已渗透经过的等离子体区域中,等离子体呈现非电中性,离子受静电场的作用会加速运动到达阴极,最终形成真空鞘层。     

等离子体融断开关磁场Hall渗透机制的模拟研究

 利用自行研制的2-1/2维全电磁柱坐标粒子模拟程序对等离子体融断开关磁场渗透机制进行了模拟研究。模拟结果表明在磁场Hall渗透机制特征长度远远小于等离子体离子的无碰撞趋肤深度的条件下,等离子体内部磁场渗透过程主要由电子流体运动的Hall项来控制。对于等离子体空间分布存在较大的密度梯度的物理问题,必须考虑二维空间特性对磁场渗透速度的影响。在磁场已渗透经过的等离子体区域中,等离子体呈现非电中性,离子受静电场的作用会加速运动到达阴极,最终形成真空鞘层。     

虚阴极振荡器中束流质量影响的粒子模拟

采用二维半全电磁PIC程序对轴向提取反馈式虚阴极振荡器中束流质量影响进行了模拟研究。结果表明：上凸前沿可使虚阴极振荡器达到饱和振荡的时间缩短,束脉冲前沿对微波饱和功率基本无影响;束流脉宽应大于16ns;当能散度为5%时,束波转换效率从单能束时的3.8%降至1.5%;束流质量（除能散度外）对微波频率基本上没有影响。     

碳纳米管冷阴极脉冲发射特性及仿真模型研究

针对碳纳米管场致发射冷阴极在微波、毫米波电真空辐射源器件中的应用需求,采用2μs,20 kV的脉冲高压对碳纳米管场致发射冷阴极的脉冲发射特性进行了实验研究.通过改变阴阳极间距,对碳纳米管冷阴极发射电流特性及发生脉冲高压打火后的碳纳米管冷阴极发射特性进行了测试研究.在直径为4 mm的圆形平面碳纳米管冷阴极上获得最大发射电流16 mA,电流密度为127 mA/cm~2.以实验测试数据为基础,结合粒子模拟软件建立碳纳米管冷阴极场致发射仿真模型,给出了该仿真模型的相关参数,为下一步设计研制碳纳米管冷阴极电子光学系统及相关辐射源器件奠定基础.     

L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器的粒子模拟与实验研究

对L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器（MILO）进行了粒子模拟,在输入电压710 kV,电流56.6 kA条件下,得到微波输出功率为4.8 GW,微波频率1.22 GHz。根据模拟结果设计MILO实验装置并开展实验研究,介绍了测试方法与测试系统,并对辐射微波功率、频率和模式进行了测量。在二极管电压740 kV,电流61 kA条件下,测得辐射微波功率为3.57 GW,微波脉宽46 ns,微波频率1.23 GHz,功率转换效率8%,辐射微波模式为TM01模。     

L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器的粒子模拟与实验研究

对L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器(MILO)进行了粒子模拟,在输入电压710 kV,电流56.6kA条件下,得到微波输出功率为4.8 GW,微波频率1.22 GHz。根据模拟结果设计MILO实验装置并开展实验研究,介绍了测试方法与测试系统,并对辐射微波功率、频率和模式进行了测量。在二极管电压740 kV,电流61 kA条件下,测得辐射微波功率为3.57 GW,微波脉宽46 ns,微波频率1.23 GHz,功率转换效率8%,辐射微波模式为TM01模。     

全三维55 GHz双阳极磁控注入式电子枪数值模拟

根据绝热压缩和角动量守恒理论对55 GHz双阳极磁控式注入枪进行了初始参数的设计,并利用自主研发的三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟,通过改变阴极半径、电子注电流、阴极磁场等参数来分析其对磁控注入式电子枪输出结果的影响。最终通过优化参数和综合因素的考虑,得到了横纵速度比为1.44、最大速度零散为5.8%的高性能电子束,能够很好满足55 GHz回旋振荡管对电子束的要求。