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。     

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。     

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。     

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。     

虚阴极振荡产生高功率微波的粒子模拟

独立研制了一个柱对称、非周期边界12/2维相对论性电磁模粒子模拟程序。用它研究了强相对论电子束射入一端封闭、一端开口的波导管所产生的虚阴极振荡和激发的高功率微波。得到了清晰、合理的物理图象,虚阴极振荡频率符合(1～2π~(1/2)ω_(peb)的经验规律。激发微波的效率可高达10％。此外,通过模拟计算,研究了辐射频率、辐射效率与外加导引磁场、电子束流强度、电子束能量和电子束半径的依赖关系。得到了一些合理而有价值的规律。     

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     

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%。     

轴向反馈式虚阴极振荡器的频率特性

 采用粒子模拟和实验相结合的方法对轴向反馈式虚阴极振荡器进行了研究。结果表明，轴向反馈式虚阴极振荡器能够有效地锁定微波频率，提高输出功率。在二极管电压为450kV，束流为22kA的条件下，当阴阳极间距大于1.3cm时，辐射微波主频约为3.5GHz，此时与腔的耦合较好，微波辐射功率较高；当阴阳极间距小于1.3cm时，辐射微波主频约为4.8GHz。实验和模拟符合得较好。     

电子束激励TM模虚阴极振荡器的分析

 从理论上对实心电子束和空心电子束激励轴向虚阴极振荡器产生高功率微波的情况进行了比较分析。通过数值计算比较了在相同的结构参数条件下输出微波功率的大小。分别讨论了在激励TM₀₁和高阶TM₀₂,TM₀₃模式时电子束半径的优化值。用KARAT软件进行粒子模拟初步验证了数值计算的结果。数值计算和粒子模拟结果均表明：要在轴向虚阴极振荡器中有效地激励TM₀₁主模式,应采用实心电子束;而空心电子束则在激励高阶TM_0n模式时,可能更为有效。     

微波调制型虚阴极振荡器的理论分析

 理论分析并数值计算了具有外注入微波或自反馈微调制电子束的虚阴极振荡器特性,发现通过合理选择调制信号的参数,虚阴极振荡器的运行性能可以大大提高,理论计算结果与实验结果符合的较好。     

无网格等离子体静电模粒子模拟方法

介绍了一种无网格粒子模拟方法:三维快速多极展开方法(3DFMM),对其进行改进以提高精度.在低维粒子模拟中,采用具有低维运动的球粒子模型.模拟了尘埃粒子在背景等离子体中产生的势场,以及等离子体中电子相对于离子运动所引起的不稳定性,并得到合理的物理图象.     

虚阴极振荡激励高功率微波的数值模拟

模拟了轴对称虚阴极振荡器产生微波的过程。根据实验装置的特点,建立了理想的物理模型。从物理学的基本规律出发,用CIC方法编制了二维空间、三个动量分量的2 1/2维、全电磁、相对论性的数值模拟程序。选择柱状电子束进行模拟,获得了正确的计算结果和清晰的物理图象,并对计算结果作了分析。     

激光等离子体二维相对论电磁粒子模拟

研制了激光等离子体二维相对论电磁粒子模拟程序(2DCIC)。追踪几万甚至百万个模拟粒子在外加激光场和自洽场中运动,自洽地计算电荷和电流密度,求解完全的Maxwel方程,电子的相对论运动方程和离子的牛顿运动方程,辅以灵活的诊断研究波-波,波-粒子相互作用的发生、发展和饱和的细节以及时间演化规律。激光可以正入射,也可以斜入射;等离子体可以是均匀密度,也可以具有密度梯度;为了节约机时,还发展了并行运算。物理模型参数可调,既适用于研究激光聚变等离子体相互作用,也适用于超短脉冲超强激光等离子体相互作用和其它等离子体问题。经过多次试算检验,对等离子体平衡态进行了计算研究,对于超短脉冲超强激光的传播也进行了初步模拟计算。     

带电粒子束在靶等离子体中能量沉积模拟计算

一、引言 利用轻离子束为驱动源的惯性聚变,已成为很有前途的一个研究方向。美国Sandia研究所最近建成PBFA-Ⅱ装置,它给出离子束能量为2MJ,功率为10~(14)W,能量转换效率可达到20％。用这台设备,可以做聚变点火研究和能量得失相当实验。 我们应用Bethe-Bloch理论和LSS理论,计算带电粒子束与原子相互作用;应用库仑连续慢化理论,计算带电粒子束与等离子体相互作用.将能量沉积理论与一维辐射流体力学程序耦合起来,得到能量沉积随物质状态变化关系.在计算中应用了真实气体状态方程参数.     

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。     

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。     

旋流燃烧室内颗粒运动的数值模拟

本文应用流体相湍流脉动速度大小和方向均具有随机性的颗粒相随机轨道模型,对有直流一次风和旋流二次风的旋流燃烧室内的颗粒运动进行了数值模拟。得到的颗粒相轴向总质量流通量、轴向与切向速度分布与实验测量数据相符合,并比 Gosman 颗粒随机轨道模型的模拟结果有一定的改进。     

高功率振荡器锁相的粒子模拟

用粒子(PIC,Particle-in-Cell)模拟方法研究了当前颇感兴趣的高功率振荡器的锁相问题。给出了模拟计算结果。讨论了锁相(Phase Locking)、Priming和InjectionSeeding等概念的区别。     

虚阴极振荡微波辐射

本文概述在EPA-74脉冲线加速器上进行的虚阴极振荡微波辐射实验。1kA,400keV的电子束流经短磁线圈聚焦形成虚阴极,产生波长在6.2～11.5mm的微波辐射,峰值功率约1MW。从提高效率考虑,拟采用特殊设计的实验结构,以形成多级虚阴极振荡。