向内发射磁绝缘振荡器

提出了一种向内发射磁绝缘振荡器,并给出了微波轴向提取的方法。这种新型结构通过外置阴极、内置阳极,使参与束波作用的轮辐电流通过阳极回流提供了自磁绝缘的角向磁场,有提高器件效率的可能。而外置阴极使阴极的发射面积增大,发射电流密度减小,有利于延长阴极寿命。通过粒子模拟,得到了几何参数与磁绝缘线振荡器输出功率的关系。在电压890 kV,电流56.1 kA下,输出功率为3.6 GW,频率为8.2 GHz。     

虚阴极为负载的磁绝缘线振荡器设计和研究

设计了S波段的MILO,工作频率为2.33 GHz,器件不容易产生模式竞争,适合于单模运行。进一步对MILO进行改造：阴极加入端面发射,使磁绝缘效果更好;收集极采用金属薄膜,利用磁绝缘电流形成虚阴极,充分发挥负载电流的磁绝缘作用,利用负载电流参与波束能量转换,使输出功率和效率进一步提高。通过优化设计的虚阴极MILO,在输入电压为450 kV,电流为45 kA时,最终得到2 GW的周期平均输出功率,效率高达10%。     

虚阴极为负载的磁绝缘线振荡器设计和研究

 设计了S波段的MILO,工作频率为2.33 GHz,器件不容易产生模式竞争,适合于单模运行。进一步对MILO进行改造：阴极加入端面发射,使磁绝缘效果更好;收集极采用金属薄膜,利用磁绝缘电流形成虚阴极,充分发挥负载电流的磁绝缘作用,利用负载电流参与波束能量转换,使输出功率和效率进一步提高。通过优化设计的虚阴极MILO,在输入电压为450 kV,电流为45 kA时,最终得到2 GW的周期平均输出功率,效率高达10%。     

L波段端面发射高效率磁绝缘线振荡器

 建立了磁绝缘线振荡器自磁绝缘的理论模型,给出了磁绝缘电流计算公式。然后给出了非线性稳态的最大轮辐电流计算公式,并据此分析了负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率。提出一种新型的端面发射型磁绝缘线振荡器,在二极管电压590 kV,二极管电流为55.47 kA情况下,粒子模拟得到周期平均功率6.1 GW左右,工作主频为1.24 GHz,束波转换效率18.64%左右。端面发射型磁绝缘线振荡器的效率比负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率提高6%左右。端面发射的电流不参与束波互作用,由于端面发射的电流比较小,在总电流不变的情况下参与束波互作用的电流增多,从而提高了效率。最后分析了角向磁场的分布以及自磁绝缘的情况。     

L波段端面发射高效率磁绝缘线振荡器

建立了磁绝缘线振荡器自磁绝缘的理论模型,给出了磁绝缘电流计算公式。然后给出了非线性稳态的最大轮辐电流计算公式,并据此分析了负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率。提出一种新型的端面发射型磁绝缘线振荡器,在二极管电压590 kV,二极管电流为55.47 kA情况下,粒子模拟得到周期平均功率6.1 GW左右,工作主频为1.24 GHz,束波转换效率18.64%左右。端面发射型磁绝缘线振荡器的效率比负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率提高6%左右。端面发射的电流不参与束波互作用,由于端面发射的电流比较小,在总电流不变的情况下参与束波互作用的电流增多,从而提高了效率。最后分析了角向磁场的分布以及自磁绝缘的情况。     

折叠型平板Blumlein线高功率微波驱动源

 介绍了一种使用折叠型平板Blumlein线为主体的紧凑型高功率微波驱动源,Kapton薄膜和纯净变压器油分别作为折叠型平板Blumlein线的传输线介质和绝缘介质,Blumlein线的整体尺寸为1.00 m×0.40 m×0.15 m。采用一个特征阻抗大约是12 W的C波段磁绝缘振荡器作为高功率微波源。折叠型平板Blumlein线传输的能量可以使磁绝缘振荡器的阴极发射出电压550 kV,电流40 kA ,脉宽90 ns的电子束,从而产生峰值功率350 MW,脉宽40 ns的高功率微波。     

向内发射同轴虚阴极振荡器波束互作用的数值模拟研究

对向内发射同轴虚阴极振荡器微波主频进行了解析求解, 利用稳态相对论流体Maxwell方程组得到了微波主频所满足的方程; 同时使用MAFIA程序的TS3模块对向内发射同轴虚阴极振荡器中波束互作用进行了全三维PIC数值模拟研究, 通过对微波输出圆波导中5个传输模式的监测,得到了各模式的频谱分布及输出功率. 结果表明, 在有阳极反射板存在时, 构成的准腔结构能够有效地改善频谱, 从而提高能量转换效率.     

一种非轴对称磁绝缘电子鞘层边界的计算方法

长距离磁绝缘传输线内电极偏心、感应腔注入电流非均匀分布引起电子鞘层边界偏心等非对称磁绝缘特性.电子鞘层边界是研究非轴对称磁绝缘特性的重要参数.本文提出一种计算非轴对称磁绝缘电子鞘层边界的方法.通过引入角向非均匀分布的模数,将经典一维轴对称Creedon稳态磁绝缘理论推广应用于圆柱坐标系下二维(r,θ)平面.建立了感应电压叠加器次级非轴对称磁绝缘的二维Creedon物理模型,给出了非轴对称磁绝缘电子鞘层边界的数值计算方法和计算误差.当阴极角向磁场(阴极电流)角向分布满足余弦函数时,电子鞘层边界接近高斯分布.阴极电流角向不均匀程度越大,电子鞘层边界偏心程度越严重,计算误差越大.     

紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的粒子模拟

 采取减小阴极杆半径和长度、阴阳极间隙、叶片的长度和厚度及慢波结构周期的办法构造了一种紧凑型磁绝缘线性振荡器（MILO），并用2.5维全电磁PIC方法对这一器件进行了粒子模拟研究。该装置主频为1.9GHz，饱和后平均输出功率达5.4GW，束波转换效率达12％。紧凑型MILO结构能避免电击穿，电子束发射的对称性较易控制。     

紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的粒子模拟

采取减小阴极杆半径和长度、阴阳极间隙、叶片的长度和厚度及慢波结构周期的办法构造了一种紧凑型磁绝缘线性振荡器（MILO），并用2.5维全电磁PIC方法对这一器件进行了粒子模拟研究。该装置主频为1.9GHz，饱和后平均输出功率达5.4GW，束波转换效率达12％。紧凑型MILO结构能避免电击穿，电子束发射的对称性较易控制。     

Ku波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

根据现有的慢波结构色散特性的理论分析,提出了一种Ku波段的磁绝缘线振荡器（MILO）。与常见MILO的慢波结构不同,该MILO的慢波结构通过增大扼流腔的外半径来实现扼流作用,以防止阴阳极击穿。利用3维电磁场模拟软件对Ku波段MILO的开放腔模型进行了分析,得到其谐振频率为13.536 GHz以及有载品质因数为43。同时利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟,进一步优化了MILO结构,研究了输出微波的功率效率与输入电压的关系,得到的最优工作电压为600 kV。在外加电压600 kV、束流47.4 kA的情况下,模拟得到的平均功率为3.69 GW,中心频率为13.62 GHz,功率转换效率为12.6%。     

磁绝缘线振荡器中模式竞争问题的数值模拟

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。     

磁绝缘线振荡器阴极烧蚀与电压波形的关系研究

通过粒子模拟和实验研究相结合的方法,研究了磁绝缘线振荡器的阴极烧蚀与输入电压波形的关系,找到了造成阴极烧蚀的根本原因,给出了电子束回轰阴极的清晰图像,并通过对低阻抗加速器平台输出电压波形的调整,抑制了反向电压,解决了器件的阴极烧蚀问题.研究结果表明:在正向电压作用下已经发射出来的电子束在超过一定幅度的反向电压作用下发生反向运动并回轰阴极,产生反向电流并造成器件阴极的烧蚀,因此注入电压下降沿之后的反向电压是引起磁绝缘线振荡器的阴极烧蚀的最根本因素.     

磁绝缘线振荡器中模式竞争问题的数值模拟

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。     

X波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

在对磁绝缘线振荡器（MILO）慢波结构色散特性进行理论分析的基础上,结合负载限制型和渐变型MILO的特点,对X波段MILO慢波结构、阴极和中心阳极进行了设计。利用2.5维全电磁PIC程序进行粒子模拟,研究了输出功率与结构参数之间的关系,进一步优化MILO结构。在外加电压为510 kV,束流43 kA情况下,模拟得到平均功率2.83 GW的微波输出,中心频率为8.2 GHz,功率转换效率12.9%。     

双阶梯阴极型磁绝缘线振荡器设计与模拟

 结合负载限制型磁绝缘线振荡器（MILO）和渐变型MILO的特点,提出了一种新型双阶梯阴极型MILO。该器件前2个叶片为扼流片，中间3个叶片为主作用叶片,后面1个为提取叶片，在电流发射区与慢波结构径向相对的阴极部分分为3段，形成双阶梯阴极结构。根据Maxwell方程和Floquet定理导出其色散方程，并对其振荡主频作了理论分析。2.5维粒子模拟表明，器件工作频率为1.21 GHz，与理论预测相符，双阶梯的引入，对器件阻抗和振荡频率影响较小。在工作电压458 kV、电流40.5 kA条件下，双阶梯阴极结构将MILO输出功率从2.20 GW提高到2.88 GW，功率转换效率从12.0%提高到15.5%。     

X波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

 在对磁绝缘线振荡器（MILO）慢波结构色散特性进行理论分析的基础上,结合负载限制型和渐变型MILO的特点,对X波段MILO慢波结构、阴极和中心阳极进行了设计。利用2.5维全电磁PIC程序进行粒子模拟,研究了输出功率与结构参数之间的关系,进一步优化MILO结构。在外加电压为510 kV,束流43 kA情况下,模拟得到平均功率2.83 GW的微波输出,中心频率为8.2 GHz,功率转换效率12.9%。     

双阶梯阴极型磁绝缘线振荡器设计与模拟

结合负载限制型磁绝缘线振荡器（MILO）和渐变型MILO的特点,提出了一种新型双阶梯阴极型MILO。该器件前2个叶片为扼流片,中间3个叶片为主作用叶片,后面1个为提取叶片,在电流发射区与慢波结构径向相对的阴极部分分为3段,形成双阶梯阴极结构。根据Maxwell方程和Floquet定理导出其色散方程,并对其振荡主频作了理论分析。2.5维粒子模拟表明,器件工作频率为1.21 GHz,与理论预测相符,双阶梯的引入,对器件阻抗和振荡频率影响较小。在工作电压458 kV、电流40.5 kA条件下,双阶梯阴极结构将MILO输出功率从2.20 GW提高到2.88 GW,功率转换效率从12.0%提高到15.5%。     

阶梯阴极型L波段MILO的实验研究

对阶梯阴极型L波段磁绝缘线振荡器（MILO）进行了实验研究。介绍了测试方法与测试系统;开展了阴极电子发射实验,发现阴极电子发射不均匀是对称结构MILO产生非对称微波模式的最关键的因素之一;并对二极管屏蔽环尺寸、扼流片半径、提取间隙等进行了研究。在电子束电压约420 kV、电流33 kA的条件下,得到了阶梯阴极型L波段MILO的高功率微波辐射功率为1.22~1.47 GW,脉宽大于20 ns,频率为1.21 GHz,束波转换效率约为10%,器件产生微波模式为TM01模,经过模式转换器后的辐射模式为TE11模。