一种新型径向三腔同轴虚阴极振荡器全三维粒子模拟研究

提出了一种新型径向三腔同轴虚阴极振荡器,并进行了数值模拟研究. 研究表明: 这种径向三腔结构在束波转换面进行电场调制,能够大幅提高束波转换效率;同时,由阳极栅网和径向三腔结构构成的谐振装置能有效地抑制模式竞争;另外,由于采用了同轴引出结构,在提高能量引出的同时还能有效吸收漂移管中被利用过的电子,因此这种新型虚阴极振荡器能够获得较高的输出功率. 模拟的电子束电压为400 kV,电流为50 kA,主频为4.5 GHz,峰值功率达到6 GW,平均输出功率为3.1 GW,束波转换效率达到15%. 关键词： 高功率微波 同轴虚阴极振荡器 粒子模拟 束波转换效率     

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。     

新型高功率虚阴极径向反射速调管振荡器

 提出了一种新型的高功率虚阴极径向反射速调管振荡器,它结合了虚阴极振荡器容易起振和速调管微波产生效率较高的特点。利用虚阴极反射电子束对调制腔的正反馈,可以减小起振电流和起振时间,而且提高了微波产生效率。它是一种结构简单、紧凑的器件。用2.5维PIC程序对这种器件进行了数值模拟研究。得到的数值模拟结果表明,输入电压620 kV,电流25 kA,输出微波周期平均功率为2.5 GW。虚阴极振荡频率被锁定,频率为1.25 GHz。     

同轴波导虚阴极振荡器二极管参数优化的研究

采用粒子模拟研究了同轴波导虚阴极振荡器二极管参数对微波效率和频率的影响,得到了由二极管参数改变引起的二极管阻抗变化及其对微波效率的影响规律. 借鉴具有慢波结构的高功率微波器件中微波模式特性阻抗的计算方法,给出同轴波导虚阴极振荡器中微波主模式特性阻抗的理论计算公式. 将理论计算结果与由粒子模拟对器件进行优化后得到的二极管阻抗进行比较,发现当反映电子束特性的二极管阻抗与微波主模式特性阻抗匹配时,虚阴极振荡器具有较高的束波功率转换效率. 进一步用特性阻抗对其他几种典型结构的虚阴极振荡器进行分析,验证了该方法的合理性,为设计高效率虚阴极振荡器提供了理论指导. 关键词： 虚阴极振荡器 同轴波导 二极管参数 特性阻抗     

轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器

轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器可以不需要模式转换器或弯曲过渡波导而直接通过天线轴向辐射微波,从而使微波源及其辐射系统更加紧凑。粒子模拟结果表明,在400 keV,8.9 kA的束流条件下,轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器在2.12 GHz处可以获得功率为500 MW的高功率微波输出,功率效率为14%,频率、模式纯净。这些结果为相同波段同类装置的小型化提供了一条可能的技术途径。     

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%。     

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%。     

粒子模拟中阳极栅网模型的实现

在3维Yee网格和蛙跳模型上建立了一种合理的描述阳极栅网中电子散射过程的物理模型,在经典碰撞理论基础上推导了散射角和动量公式,并运用蒙特卡罗法模拟了高斯分布电子束在径向虚阴极情景下的阳极栅网散射过程。模拟结果出现了明显的虚阴极现象,平均功率0.60 GW,虚阴极效率4.5%,微波主频4.7 GHz,主模是TM01模。这些参数与文献模拟的数据基本符合,证明了虚阴极中阳极栅网数值模拟实现的正确性。     

轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器

 轴向提取矩形波导TE₁₀模虚阴极振荡器可以不需要模式转换器或弯曲过渡波导而直接通过天线轴向辐射微波，从而使微波源及其辐射系统更加紧凑。粒子模拟结果表明，在400 keV，8.9 kA的束流条件下，轴向提取矩形波导TE₁₀模虚阴极振荡器在2.12 GHz处可以获得功率为500 MW的高功率微波输出，功率效率为14%，频率、模式纯净。这些结果为相同波段同类装置的小型化提供了一条可能的技术途径。     

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.     

虚阴极振荡器“硬管化”实验研究

 采用锆泵作为吸气泵，设计出静态保真空模拟实验装置。在该实验装置上进行了保真空可行性实验，装置在经过10 d的保真空后，真空度为1.4×10^-3 Pa 。在模拟保真空实验成功实现的基础上，用常规微波管技术设计加工了“硬管”器件，并进行保真空实验，静态下真空度经过15 d仍能维持在2×10^-2 Pa。该器件在峰值电压为330 kV的条件下，输出微波功率达到650 MW，脉宽为40 ns，主频为3.68 GHz，性能比普通器件有很大改善，微波脉宽更宽，频谱更单一，而且稳定性很高。     

碳纤维阴极对输出脉宽及能量的影响

 在反射三极管实验平台上,通过浸渍碘化铯(CsI)碳纤维阴极与不锈钢阴极实验对比,研究了碳纤维阴极对虚阴极振荡器输出微波脉宽及能量的影响。实验得出碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波脉宽约200 ns,较不锈钢阴极虚阴极振荡器增加了30%;对输出微波脉宽面积近似积分,得出碳纤维阴极虚阴极振荡器与不锈钢阴极虚阴极振荡器的输出微波脉宽面积比值约为2.273,表明碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波能量是不锈钢阴极虚阴极振荡器的2倍左右。分析认为碳纤维阴极的材料特性及其综合发射机制导致阴阳极间等离子体膨胀速度及温度降低,延缓了阴阳极间隙的闭合,从而增加了输出微波脉宽,提高了微波输出能量。     

碳纤维阴极对输出脉宽及能量的影响

在反射三极管实验平台上,通过浸渍碘化铯(CsI)碳纤维阴极与不锈钢阴极实验对比,研究了碳纤维阴极对虚阴极振荡器输出微波脉宽及能量的影响。实验得出碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波脉宽约200 ns,较不锈钢阴极虚阴极振荡器增加了30%;对输出微波脉宽面积近似积分,得出碳纤维阴极虚阴极振荡器与不锈钢阴极虚阴极振荡器的输出微波脉宽面积比值约为2.273,表明碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波能量是不锈钢阴极虚阴极振荡器的2倍左右。分析认为碳纤维阴极的材料特性及其综合发射机制导致阴阳极间等离子体膨胀速度及温度降低,延缓了阴阳极间隙的闭合,从而增加了输出微波脉宽,提高了微波输出能量。     

基于OTRA的正弦波振荡器的设计

基于OTRA,MOS非平衡电阻(MRC)及电容,给出了OTRA-MOSFET-C无损积分器及有损积分器,该积分器能减小寄生电容的影响,由此构造了理想正交正弦振荡器,最后给出了OTRA实用正交振荡器,该振荡器不仅能同时得到2个相位互差90°的正弦波,而且容易起振,振荡频率、输出幅度可电控调谐,且互不影响,输出频率稳定.     

高效强流径向分离腔振荡器研究

根据同轴虚阴极的结构特点,提出了一种紧凑型径向分离腔振荡器,该径向分离腔的特点是输入电子束的电流可以很大,从而可以得到较高的微波输出功率. 综合考虑影响微波输出的各种因素,在电子束为410kV,电流为35kA的条件下,模拟得到的平均功率大于50GW,频率为146GHz,电子束功率效率达到348%. 关键词： 径向分离腔 高功率微波 同轴虚阴极 电子束分布     

高效强流径向分离腔振荡器研究

根据同轴虚阴极的结构特点，提出了一种紧凑型径向分离腔振荡器，该径向分离腔的特点是输入电子束的电流可以很大，从而可以得到较高的微波输出功率. 综合考虑影响微波输出的各种因素，在电子束为410kV，电流为35kA的条件下，模拟得到的平均功率大于50GW，频率为146GHz，电子束功率效率达到348%.     

Potential profile near the virtual cathode in presence of charged dust

In this work, concept of virtual cathode and its existence in dusty plasma has been studied by theoretical and numerical analysis. Using basic equations of charge dust, ions, and electrons, the non‐monotonic behaviour of the potential in presence of charged dust has been calculated and plotted as a function of dust density. It has been found that there is a change in potential between cathode and sheath potential and subsequently changes the threshold wall temperature as compared to that of without dust conditions. The threshold wall temperature has been increased due to the ability of micro‐particles acquiring electron charge and hence, reducing potential at the wall. Further, for different values of α (depends on dust density); threshold temperature remained the same for observed virtual cathode. Hence, behaviour of potential has been plotted as a function of α with increasing wall temperatures for two dust charge values (1 and 1,000). Considering no dust charge, it has been observed that, at lower dust density, double layer like structure is formed near the emissive wall. But this double layer structure gets diminishes with increasing dust density. Hence, below a threshold dust density, virtual cathode near to the emissive wall is not possible. While for Z_d = 1,000, the formation of virtual cathode appeared even at very small dust density. However, irrespective of variation of potential difference near the wall and existence of virtual cathode at different emission regime the threshold wall temperature remains same. Effect of dust potential dependency on threshold wall temperature has also been discussed in this study.