向内发射同轴虚阴极振荡器理论分析与数值模拟

针对向内发射同轴虚阴极振荡器进行了1维理论分析,给出了电流电压关系的数值解,估算了同轴漂移区空间电荷限制流及虚阴极位置;同时使用MAFIA程序进行了全3维PIC数值模拟研究,通过调节阴极电子发射区与阳极反射板之间距离进行了一系列计算,得到了圆波导中各传输模式频谱及功率。结果表明,尽管使用圆周对称的同轴结构,输出模式中TE11和TM01仍占主导地位,两种模式共同存在,相互竞争。在最佳情况下,当二极管电压为250 kV,电流为20 kA时,得到了微波输出总功率最高为740 MW,功率效率超过10%,主频为3.18 GHz,同时含有较强TE11和TM01模式成分的微波输出。     

向内发射同轴虚阴极振荡器理论分析与数值模拟

 针对向内发射同轴虚阴极振荡器进行了1维理论分析,给出了电流电压关系的数值解,估算了同轴漂移区空间电荷限制流及虚阴极位置;同时使用MAFIA程序进行了全3维PIC数值模拟研究,通过调节阴极电子发射区与阳极反射板之间距离进行了一系列计算,得到了圆波导中各传输模式频谱及功率。结果表明,尽管使用圆周对称的同轴结构,输出模式中TE₁₁和TM₀₁仍占主导地位,两种模式共同存在,相互竞争。在最佳情况下,当二极管电压为250 kV,电流为20 kA时,得到了微波输出总功率最高为740 MW,功率效率超过10%,主频为3.18 GHz,同时含有较强TE₁₁和TM₀₁模式成分的微波输出。     

向内发射同轴虚阴极振荡器实验研究

 同轴型虚阴极振荡器是一种较有发展潜力的虚阴极振荡器，对西北核技术研究所近期的同轴型虚阴极振荡器实验的结果进行了介绍。实验结果表明，在不带有阳极反射板的同轴虚阴极振荡器中，产生微波的主模为TE₁₁模，与常规的轴向发射虚阴极振荡器相比，其主频稳定且带宽较窄；在二极管电压300kV，电流18kA条件下，获得了功率约为200MW的高功率微波脉冲，效率约为3.6%，工作频率为2.7GHz。     

预调制型同轴虚阴极振荡器数值模拟

提出一种高效率预调制型同轴虚阴极振荡器,进行了数值模拟研究。研究表明:径向束流预调制型同轴虚阴极振荡器利用在束-波互作用区加载金属圆环形成谐振腔,改变束-波互作用区的电场,对电子束进行调制。圆筒形金属形成的调制腔产生的电场既对电子束进行了调制,同时对微波频率进行了锁定,其谐振频率主要是由加载的金属圆筒的长度和两个圆筒之间的径向距离决定。经过优化设计,在600 kV,73 kA无外加引导磁场的条件下,预调制型同轴虚阴极振荡器获得了平均功率6 GW,频率为2.575 GHz的微波输出,效率达到13.94%。     

预调制型同轴虚阴极振荡器数值模拟

提出一种高效率预调制型同轴虚阴极振荡器,进行了数值模拟研究。研究表明：径向束流预调制型同轴虚阴极振荡器利用在束-波互作用区加载金属圆环形成谐振腔,改变束-波互作用区的电场,对电子束进行调制。圆筒形金属形成的调制腔产生的电场既对电子束进行了调制,同时对微波频率进行了锁定,其谐振频率主要是由加载的金属圆筒的长度和两个圆筒之间的径向距离决定。经过优化设计,在600 kV,73 kA无外加引导磁场的条件下,预调制型同轴虚阴极振荡器获得了平均功率6 GW,频率为2.575 GHz的微波输出,效率达到13.94%。     

同轴虚阴极振荡器实验研究

介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所关于同轴虚阴极振荡器实验的最新进展。实验结果表明,带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器比不带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器输出微波功率更高,频谱更纯。在二极管电压350 kV,电流23 kA条件下,输出微波峰值功率500 MW,能量转换效率约6.2%,工作频率为3.3 GHz。对实验结果进行了理论分析。     

同轴虚阴极振荡器实验研究

 介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所关于同轴虚阴极振荡器实验的最新进展。实验结果表明,带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器比不带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器输出微波功率更高,频谱更纯。在二极管电压350 kV,电流23 kA条件下,输出微波峰值功率500 MW,能量转换效率约6.2%,工作频率为3.3 GHz。对实验结果进行了理论分析。     

新型径向三腔同轴虚阴极振荡器的模拟研究

提出了一种新型的径向三腔同轴虚阴极振荡器,并对其进行了理论分析和数值模拟。这种虚阴极振荡器采用径向三腔结构,通过改变束-波互作用区的电场分布来提高电子束与TM01模式的耦合效率,并通过采用准谐振腔的结构来进一步抑制模式竞争以获得较高的输出微波增益。同时采用能量同轴提取的方式进一步提高器件的功率和效率。粒子模拟结果表明,在二极管电压400 kV,束流50 kA的条件下,径向三腔同轴虚阴极振荡器在4.14 GHz处获得了平均功率约2.45 GW的微波输出,功率转换效率达到12％。输出微波模式纯度较高,频谱非常窄。     

新型径向三腔同轴虚阴极振荡器的模拟研究

 提出了一种新型的径向三腔同轴虚阴极振荡器,并对其进行了理论分析和数值模拟。这种虚阴极振荡器采用径向三腔结构,通过改变束-波互作用区的电场分布来提高电子束与TM₀₁模式的耦合效率,并通过采用准谐振腔的结构来进一步抑制模式竞争以获得较高的输出微波增益。同时采用能量同轴提取的方式进一步提高器件的功率和效率。粒子模拟结果表明,在二极管电压400 kV,束流50 kA的条件下,径向三腔同轴虚阴极振荡器在4.14 GHz处获得了平均功率约2.45 GW的微波输出,功率转换效率达到12％。输出微波模式纯度较高,频谱非常窄。     

同轴虚阴极振荡器数值模拟

 给出了同轴型虚阴极振荡器的数值模拟和部分理论分析结果, 指出许多几何结构参数包括阴极宽度、二极管间隙等都对输出微波的频率、带宽和能量转换效率有较大的影响。给出了这些参量之间关系的数值模拟结果，在一定程度上为同轴虚阴极振荡器的实验研究提供了理论基础。     

SSC高频腔数值模拟及分析

SSC加速电压的提高对于HIRFL整体运行水平的提高具有重要的意义.利用三维电磁场计算程序MAFIA对SSC高频腔体作了更为细致的分析,重新计算了腔体的主要参数,结合运行中的实际结果,对电压提高的可行性进行了初步分析;由于在大功率运行状态下,少量的功率损失都可能影响腔–机系统的稳定性,所以同时利用MAFIA计算得到的结果,对功率耦合系统重新做了分析,得到了功率反射的理论极值及改进方案.     

Ku波段同轴渡越辐射振荡器的数值模拟

当传统高功率微波器件向高频段拓展时,器件尺寸的缩小将造成空间极限电流及功率容量的减小。基于此提出一种Ku波段同轴结构的渡越辐射振荡器。通过引入同轴结构,器件内部的空间极限电流及功率容量得到了有效提升。调制腔采用三谐振腔结构,与两腔结构相比,调制电子束的能力明显增强。采用高频场软件对调制腔和输出腔进行了冷腔分析。利用2.5维粒子模拟软件对Ku波段同轴渡越辐射振荡器进行了数值模拟,在导引磁场0.6 T、二极管电压392 kV、电流15.2 kA的条件下,在中心频率为14.184 GHz处获得1.2 GW的高功率微波输出,功率转换效率达20%。     

多腔虚阴极振荡器研究

提出了一种具有预调制腔、主谐振腔和提取腔组成的多腔轴向提取虚阴极振荡器结构。腔体特性分析表明其在工作频段可以获得更高的提取效率。粒子模拟显示该结构在电压700 kV,电流23 kA的条件下,可输出功率大于1.7 GW,频率4.0 GHz,功率效率大于10％的微波。初步的实验研究获得了辐射功率约700 MW,频率约4.1 GHz的微波输出。对实验结果的进一步分析表明,通过适当加大器件虚阴极振荡工作区微波管直径的方法可以有效改善器件的谐振性能,从而获得更好的工作性能。     

Ku波段同轴渡越辐射振荡器的数值模拟

当传统高功率微波器件向高频段拓展时,器件尺寸的缩小将造成空间极限电流及功率容量的减小。基于此提出一种Ku波段同轴结构的渡越辐射振荡器。通过引入同轴结构,器件内部的空间极限电流及功率容量得到了有效提升。调制腔采用三谐振腔结构,与两腔结构相比,调制电子束的能力明显增强。采用高频场软件对调制腔和输出腔进行了冷腔分析。利用2.5维粒子模拟软件对Ku波段同轴渡越辐射振荡器进行了数值模拟,在导引磁场0.6 T、二极管电压392 kV、电流15.2 kA的条件下,在中心频率为14.184 GHz处获得1.2 GW的高功率微波输出,功率转换效率达20%。     

微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体耦合的数值模拟研究

利用时域有限差分(FDTD)方法对微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体的耦合过程进行了数值模拟研究. 如果孔缝填有介质, 则预期对微波耦合进入腔体的物理过程有重要影响, 研究了微波与带介质孔缝矩形腔体耦合的过程中影响介质孔缝耦合共振峰和共振频率点的因素, 包括孔缝长度、宽度和介质相对介电常数等物理量的影响. 通过大量不同孔缝尺寸的模拟研究, 发现孔缝的介质对孔缝耦合共振频率有明显影响, 我们对微波与带介质孔缝耦合发生共振的公式进行了拟合, 最后得出了微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体耦合的共振条件.     

β=0.45,f=350MHz spoke腔高阶模的研究

质子或者离子在中低能段的加速结构是目前研究的热点, 其中许多实验结果表明spoke腔是连接RFQ加速结构和椭球腔加速结构的最具潜力的桥梁. 但是这种新型结构仍然存在许多问题有待解决, 为此, 北京大学开展了spoke型质子加速腔的研究, 完成了β=0.45, 频率为350MHz spoke腔的设计和铜模型腔的加工. 重点对spoke腔高阶模进行了分析, 模拟计算找出了几种危害模式, 并完成了实验测量, 取得了实验测量与模拟计算相一致的结果.