磁绝缘传输线损失电流等效电路模型

在粒子模拟的基础上,结合经典空间电荷限制流、磁绝缘临界电流的理论公式,拟合得到磁绝缘传输线中空间电荷限制流的修正计算公式,并进一步建立磁绝缘传输线损失电流的插值计算模型。该模型不需要求解广义泊松方程,计算效率高。通过对长同轴磁绝缘传输线的等效电路模拟,得到了与全尺寸粒子模拟结果基本一致的负载电压波形,插值计算模型不仅正确地反映了磁绝缘传输线中的电流损失过程,而且其等效电路模拟计算效率比粒子模拟提高3000倍以上。     

基于粒子模拟的磁绝缘传输线等效电容和等效电感的计算

提出了一种基于粒子模拟的磁绝缘传输线等效电容和等效电感计算方法,在层流模型得到的同轴磁绝缘传输线等效电感和等效电容理论公式中引入修正因子,对粒子模拟所得结果进行数值拟合,获得了等效电容和等效电感修正因子依赖于电压的拟合表达式,修正后的等效电容和等效电感理论公式与粒子模拟结果符合较好,所得结果可用于磁绝缘传输线的等效电路建模。     

一种磁绝缘传输线真空功率流的电路计算方法

介绍了基于电报方程的磁绝缘传输线真空功率流电路计算方法的基本原理,开发了相应的计算程序,对Angara-5-1装置4600发次实验进行了计算,电路模拟结果与实验结果符合较好,提供了一种新的计算磁绝缘传输线真空功率流的方法,分析了Angara-5-1装置磁绝缘传输线阻抗突变处损失电流随时间的变化规律,讨论了该方法与TLCODE和Bertha等电路模拟方法的区别,采用该电路模拟方法计算Angara-5-1等工作在超磁绝缘状态的脉冲功率装置,不仅能够保证计算精度而且提高了解的收敛性,使得对磁绝缘传输线损失电流的计算更加自洽。     

真空磁绝缘传输线损失电子模拟

 真空磁绝缘传输线建立磁绝缘状态的初始阶段,损失电子轰击阳极,发生轫致辐射。针对自限制流同轴圆筒模型,通过粒子模拟获得了损失前沿在能量传输方向的推进速度、电子到达阳极时的能谱和角分布情况,在此基础上采用蒙特卡罗方法模拟得到了轫致辐射所产生的X射线能谱。数值计算结果表明:电磁波损失前沿在能量传输方向的推进速度小于光速;损失前沿电子密度稳定。在自限制流磁绝缘传输线中,损失电子处在较宽的能量范围内,其电子偏移角度较小。建立了对应于同轴圆筒真空磁绝缘传输线的电子/光子输运模型,获得了损失电子轰击阳极产生的X射线能谱。     

Z箍缩装置外磁绝缘传输线全尺寸粒子模拟研究

采用电路模拟得到的柱孔结构处向外磁绝缘传输线传输的电压反射波来等效Z箍缩装置中的柱孔结构至丝阵负载部分,实现了Z箍缩装置四层外磁绝缘传输线的全尺寸粒子模拟.为了进一步提高柱孔结构和丝阵负载等效电路模型的精度,通过粒子模拟,对电路模拟得到的电压反射波进行了修正.PBFA Z装置四层外磁绝缘传输线部分的全尺寸粒子模拟结果表明,修正电压反射波后得到的绝缘堆处电压波形和电流波形比原有电路模拟结果更接近实验结果.另外,利用粒子模拟结果分析和解释了丝阵负载内爆对外磁绝缘传输线脉冲功率传输物理过程的影响. 关键词： Z箍缩 外磁绝缘传输线 粒子模拟 等效电路模型     

同轴圆柱形磁绝缘传输线前沿损失与工作电压关系

在磁绝缘传输线层流模型基础上,基于极限电流近似,推导获得了同轴圆柱形磁绝缘传输线在自磁限制绝缘时,前沿损失电子电流、功率的解析解．通过粒子模拟,获得了磁绝缘传输线在源阻抗不变的条件下,不同电压条件下的损失电子电流、损失功率．对比分析了模拟结果与极限电流近似下和最小电流近似下的理论结果．结果表明：损失电子电流与损失功率比例随电压增大而减小;电压高于4MV时,极限电流近似更符合模拟结果,电压大于10MV时,极限电流近似与模拟结果的相对误差从最小电流近似的50％以上减小到10％以下．对于建立磁绝缘传输线系统中,高压电脉冲从真空传输、磁绝缘传输线上传输到工作负载的全电路模拟具有一定的指导意义．     

初级试验平台磁绝缘传输线的电路模拟

 初级试验平台磁绝缘传输线的电路模拟描述了电压脉冲从水传输线、绝缘堆、内外磁绝缘传输线到丝阵负载的传播及作用过程。在模拟中将脉冲传输经过的所有电路结构,等效成具有不同电长度及阻抗的273个传输线单元,其中包括195个磁绝缘传输线单元;通过计算得到了各个传输线单元的传导电流、界面电压,磁绝缘传输线单元的损失电流、流动阻抗、接地电阻,以及丝阵负载内爆过程中的半径变化、电流及电压等,并对主要计算结果进行了分析比较。模拟结果的可靠性及精度有待于相关实验结果的检验。     

一种新型低电感磁绝缘传输线的冷腔特性

研究了一种新型低电感花瓣形磁绝缘传输线的冷腔特性。该传输线构型的横向剖面的真空部分由12个类似花瓣形状的周期组成,而每个周期又由平行板和同轴圆弧两种基本传输线构型组成。该构型的整体轮廓有效增加了电极面积,使得传输线的电感大大降低,从而实现使用单层磁绝缘传输线即可获得较低的阻抗,规避了多层汇流结构带来的复杂的PHC结构和磁零位区损失问题。首先,分别计算出两种基本构型单元的电磁场分布、电感、电容和阻抗;而后,再整体计算分析出花瓣形磁绝缘传输线的电磁特性参数;同时,还通过数值模拟来分析该传输线的冷腔特性,获得了该传输线的阻抗值及电磁场分布,并将数值模拟结果与理论计算值进行了对比分析,结果验证了理论计算方法的正确性。     

同轴型磁绝缘传输线电流损失特性实验研究

基于强光一号装置设计了1 m长、2 cm阴阳极间隙的同轴型磁绝缘传输线（MITL）实验平台,实验研究了负载阻值0,2.07,4.12和5.68 条件下该MITL沿线电流损失特性。实验结果显示:满足磁绝缘准则条件下,该MITL沿线电流损失主要发生在阻抗剧变区域;2.07 负载阻值条件下,传输于阴阳极间隙的真空电子流可达传输线电流的17.4%,并且其比例随着负载阻值的增大而不断增大。基于空间电子流理论,对上述实验现象进行了定性的机理分析与解释。     

磁绝缘传输线电流损失的计算方法

 磁绝缘传输线电流损失的计算方法是丝阵Z箍缩电路模拟的关键问题之一。以传输线模拟方法TLCODE为基础,将磁绝缘传输线分成若干段有损传输线单元,每个单元由一段无损传输线及一个对地损失电阻组成,根据磁绝缘准则判断单元的磁绝缘状况,磁绝缘形成之前损失电流由空间电荷限制流与传导电流的定量关系来计算,磁绝缘形成之后则根据阻抗匹配关系及流动阻抗模型来计算;同时将丝阵负载内爆动力学方程与TLCODE表达式、流动阻抗方程进行耦合,可求解磁绝缘传输线、丝阵负载在电压脉冲作用下全时空域的动态响应特性。     

磁绝缘形成过程的守恒模型

理论分析了平行板、同轴、共心同轴圆锥3种典型传输线,运用磁通量守恒求解了初始电流的解析表达式,利用电荷守恒求解了初始电压的解析表达式,在此基础上定量计算了一定初始电流、初始电压下形成的稳态磁绝缘电流、阴极电流与电压,并采用粒子模拟软件对其进行2维数值模拟,模拟结果与理论值吻合较好。     

P波段混合型MILO的粒子模拟

 结合负载限制型磁绝缘线振荡器(MILO)和渐变型MILO的特点提出并设计了P波段混合型MILO的结构,主要以负载限制型MILO结构作为雏形,将其内部仅含有的1根提取叶片用3根长度渐变的慢波叶片组成的渐变段替换。该结构可更好地实现束波相互作用,并使提取间隙电场与MILO输出同轴结构处的电场达到更好的匹配,增加微波输出功率。器件纵向总长度为47 cm,外筒直径为44 cm。优化后的2.5维全电磁粒子模拟结果表明：在二极管工作电压550 keV、电流约57 kA的情况下,输出微波的中心频率为640 MHz,平均功率为4.27 GW,束波转换效率为13.6％,器件4 ns时起振,6 ns达到饱和,且微波输出功率十分稳定,最终输出微波模式为TEM模。     

紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的实验设计

 设计加工了一个L波段磁绝缘线振荡器(MILO)，并进行了实验研究。在二极管电压为515~538kV, 二极管电流为58~61kA的条件下, 获得了频率为1.76~1.78GHz，功率为2.2~2.5GW的TM₀₁模高功率微波辐射, 功率转换效率为7.3%~7.9%。实验结果与模拟结果符合得较好。     

Evidence of a new pulse-shortening mechanism in a load-limited MILO

Experimental evidence shows that the electron flow in a load-limited magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) is only partially magnetically insulated at the launch point, yet fully insulated along the downstream slow-wave structure (SWS). This results in a microwave pulse duration substantially less than that of the beam. Computer simulations suggest that anode plasma formation is responsible for this pulse shortening and are able to replicate key features of the experimental data     

平面磁绝缘线振荡器的作用机理及模拟设计

针对当前高功率微波(HPM)中的热点器件磁绝缘线振荡器(MILO) 频率低、效率低等问题,提出了一种可以沿x方向平面展开的平面MILO。该器件也是一种低阻抗高功率微波器件,通过一个低外加磁场来代替常规MILO中的磁绝缘电流,辅助实现器件的磁绝缘,从而实现器件效率的提高。结合PIC模拟,建立一个外加低磁场的C波段平面MILO,并根据其慢波结构(平面折绉表面)特点给出相应的色散曲线,确定微波器件工作点,利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟,在输入为4.0 GW电功率(工作电压约800 kV)的条件下,模拟得到频率为6.56 GHz的微波输出,通过优化外加磁场,使得模拟微波输出功率达到1.22 GW,功率效率在C波段条件下超过30%。     

L波段高阶模抑制型磁绝缘线振荡器研究

根据磁绝缘线振荡器(magnetically insulated transmission line oscillator, MILO)中基模(TM₀₀模)与临近高阶模(HEM₁₁模)高频场分布的区别,采用破坏各腔之间HEM₁₁模π 模谐振条件的方式抑制器件中高阶模产生的方法,提出了高阶模抑制型MILO. 运用三维全电磁粒子模拟软件对高阶模抑制型L波段MILO器件进行模拟研究, 数值模拟结果表面该方法能够抑制器件中HEM₁₁模的产生.在此基础上对器件进行了对比性实验研究, 实验结果表明高阶模抑制型器件能够抑制HEM₁₁模的产生,稳定工作在基模.     

磁绝缘传输线电压测量用自积分式电容分压器研制

研制了一种用于磁绝缘传输线（MITL）电压测量的自积分式电容分压器;利用PSpice软件和标定实验数据,建立了该分压器等效电路模型,给出了分压器系统传递函数,并分析了分压器频率响应特性。计算结果表明:该分压器对于被测信号大于5 MHz频率分量部分的相频和幅频响应无明显畸变。基于强光一号长1.0 m、阴阳极间隙2 cm的同轴型MITL实验平台对该分压器实际工作性能进行了考核。实验结果表明,在相对少量场致发射电子抵达阳极表面的条件下,该分压器能够有效测量MITL沿线电压波形（2.07 负载条件下,电压峰值约600 kV、峰值时间约80 ns）。     

Stop band characteristics of a TESLA cavity coaxial-type HOM coupler

A TTF-type coaxial higher order modes (HOM) coupler has been used in a TESLA 9 cell cavity. It is impossible to measure the stop band characteristics of the HOM coupler with the cavity. A measurement device for the coaxial transmission line type for the HOM coupler has been designed at Peking University. Experimentally it was shown that the average voltage standing wave ratio of the coaxial transmission line is smaller than 1.08. The experimental results of the stop band characteristics of the TTF-type HOM coupler have been fitted for the simulation. This paper describes the design of the measurement device and discusses the experimental and simulation results of stop band characteristics of the HOM coupler.