磁绝缘传输线振荡器中次级电子倍增效应的高模分析

 以磁绝缘传输线振荡器(MILO)中次级电子倍增效应物理图像为基础,对MILO中发生次级电子倍增效应的各阶共振模进行了计算和分析。结果表明：与基阶共振模相比,高阶共振模发生次级电子倍增效应的敏感区域要小得多,对次级电子倍增效应起主要作用的是基阶共振模;减小或抑制次级电子倍增效应,主要应考虑控制基阶共振模的电子倍增作用。     

基于MILO结构的一种单边multipactor模型分析

根据高功率微波源相互作用腔的物理结构特性,以磁绝缘传输线振荡器（MILO）为例,建立了一种单边二次电子倍增效应（mulitpactor）模型.采用概率统计和蒙特卡罗（MC）模拟方法,计算了敏感曲线和二次电子的时间演化规律,分析了射频场参数对二次电子倍增效应的影响,并提出了减小和抑制二次电子倍增效应的具体措施. 关键词： 单边二次电子倍增效应 敏感曲线 二次电子的时间演化     

MILO物理分析与数值模拟

 用二维全电磁PIC方法模拟了空军实验室的磁绝缘传输线振荡器(MILO),分析了MILO的物理图象。在外加电压为500kV与电流60kA时,在L波段获得了1.5GW数值模拟结果,与实验结果符合较好。特别研究了MILO的各参数变化对其运行的影响,得到了一些有价值的物理规律。     

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.     

磁绝缘线振荡器的起振电压与注入电压关系的分析

粒子模拟和实验研究发现磁绝缘线振荡器(MILO)的起振电压会随注入工作电压的增大而增大, 通过进一步的分析与研究, 找到了引起该现象的根本原因, 即随着注入工作电压的增大, 工作电压上升前沿的斜率必然增大, 上升前沿斜率的增大必然引起起振电压的增大, 当斜率无限大时, MILO的起振电压等于工作电压. 因此, 工作电压上升前沿斜率的变化是引起MILO器件起振点变化的根本原因; 当注入电压上升沿的斜率固定不变时, 同一MILO器件的起振点不变, 即对应的起振电压值不变; 当注入电压上升沿的斜率增大时, 同一MILO器件的起振点对应的起振电压值随之增大. 对MILO器件的自磁绝缘临界电流公式进行了部分修正. 关键词： 磁绝缘线振荡器 工作电压 起振电压 工作曲线     

磁绝缘传输线振荡器中辐射场的非线性行为

 导出了磁绝缘传输线振荡器(MILO)中辐射场的非线性演化方程，并讨论了在临界值点附近可能出现非线性不稳定解的条件。结论是：(1)非线性增长速率与线性增长速率的比值g<1.2，且远离g+γ=1(γ为非线性相位增长率与线性相位增长率的比值)点时，出现非稳定解的失谐量临界值很小，而线性增长速率临界值临界值很大，容易出现非稳定解；(2)当g≥1.2时，任意小的失谐量都可以使场出现非稳定解；(3)线性增长速率越大，越不容易出现非稳定解。     

电介质表面纵向射频电场对次级电子倍增效应的影响

基于次级电子倍增动力学模型和次级电子发射曲线,运用蒙特卡罗方法模拟电介质表面具有纵向射频电场作用下的单边次级电子倍增现象,研究次级电子倍增的表面电场敏感曲线和时间演化图像. 以一个S波段射频介质窗为例,计算次级电子在其介质表面的沉积功率. 结果表明,纵向射频电场可能加剧电介质表面的次级电子倍增效应,易于导致介质片破裂,不利于高频能量传输. 关键词： 纵向射频场 次级电子倍增效应 蒙特卡罗方法 功率沉积     

渐变型C波段磁绝缘线振荡器

 用二维全电磁PIC方法对具有渐变尺寸的磁绝缘线振荡器(MILO)进行了数值模拟。研究这种改进型的MILO装置在C波段获得最大功率输出的参数条件,并从物理上阐述了它比传统的同轴MILO装置功率有所提高的物理机制。     

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%。     

HEM11模磁绝缘线振荡器的高频分析

作为小型化和紧凑型的高功率微波源,磁绝缘线振荡器(MILO)在过去十几年里得到了广泛的研究和发展.在大多数研究中,最低的对称模一直被当作器件的主模.然而,由于结构的对称性或者电子发射均匀度不理想等原因,很容易激励起非对称模式.计算了MILO同轴结构中同时包含对称模和非对称模的本征方程.在此基础上,通过对结构的优化设计,提出了一种HEM₁₁模工作的MILO,并开展了原理性实验.在二极管的电压为480kV,电流为39kA条件下得到了功率为1.2GW,脉冲宽度为40ns的微波输出,功率转换 关键词： 磁绝缘线振荡器 高频特性 11模')" href="#">HEM₁₁模 开放腔     

双面次级电子倍增效应向单面次级电子倍增效应发展规律的研究

次级电子倍增效应引起的输出窗失效问题往往给微波器件造成灾难性的影响, 是限制微波器件功率进一步提升的瓶颈. 以S波段高功率盒形窗为研究对象, 针对盒形窗内无氧铜金属边界与陶瓷介质窗片相对的区域, 建立了研究法向电场作用下次级电子倍增效应的Monte-Carlo模型. 通过拟合这两种材料间双面次级电子倍增以及单面次级电子倍增效应的敏感曲线, 对次级电子倍增发展特点进行详细分析, 获得了金属与介质之间的次级电子由双面倍增向单面倍增演变的规律.     

Development of a multipactor discharge in the output channel of a powerful pulsed gyroklystron

Reasons for microwave discharge initiation in the vacuum section of the output waveguide of a powerful gyroklystron are discussed. It is found that the discharge is located near the range of an electron cyclotron resonance. A one-sided multipactor discharge is numerically simulated in wide ranges of tilt angles and permanent magnetic fields. It is shown that the cyclotron resonance may considerably lower the multipactor discharge threshold in contrast to earlier concepts.     

Observation of the Second Mode of the Multipactor Discharge in Crossed Fields

Radiophysics and Quantum Electronics - We detect the second discharge mode in the process of experimental studies of a one-sided multipactor discharge in crossed fields (microwave electric field...     

金属双边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

 针对金属双边二次电子倍增现象,分析给出了电子共振方程、共振相位、相位聚焦条件以及碰撞电势;并根据二次电子发射的材料特性,研究了金属双边二次电子倍增的敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系。利用材料二次发射特性的经验公式,辅以电子碰撞角和碰撞能量计算以及对二次电子初始能量和发射角度的蒙特卡罗随机抽样算法,编制了3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE的金属边界二次电子发射功能模块,模拟金属双平板二次电子倍增过程,获得了二次电子倍增物理图像、二次电子数目随时间演化规律等结果。模拟结果不仅验证了理论分析,还表明在合适的条件下,空间电荷限制作用将导致二次电子倍增的饱和。     

Saturation of a one-sided multipactor in a decelerating electrostatic field

We analyze the saturation mechanism of a vacuum resonance microwave discharge (multipactor) where the decelerating electrostatic field returns electrons to the secondary-emission multiplying surface. It is found that the Coulomb defocusing of electron bunches prevails over their microwave focusing (toward the resonance phase of the field) in the stationary state, making it possible to extract superfluous secondary electrons when the electron bunches are reproduced on the discharge surface. Using this model, we determine the main characteristics of this multipactor, such as the magnitude and phase disposition of the resonant electron bunch. An explanation of the increase in the discharge power with increase in the secondary-emission coefficient is given. Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Novgorod, Russia. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 42, No. 11, pp. 1097–1104, November, 1999.     

多载波微放电阈值的粒子模拟及分析

多载波微放电阈值的准确分析对于空间大功率微波系统的长期可靠性至关重要.近年来,一种源于多载波包络周期间少量剩余电子累积的"长周期"微放电机制引发广泛关注.国内外研究者普遍认为,相对源于单个周期内电子累积的"周期内"微放电,"长周期"微放电应该被优先激发、具有更低的阈值.但依据长周期微放电判据分析所得的阈值显著高于实验结果.针对这一问题,本文采用与实验系统可比拟的微放电判据,在相同多载波信号激励、相同微波部件条件下,对微放电的演化过程进行了粒子模拟,分析了多载波微放电、特别是周期内微放电的行为特性和发生条件,有效地解释了实验结果.本文的粒子模拟结果表明,给定微波部件被优先激发的多载波微放电类型取决于载波频率的配置,长周期微放电并非一定被优先激发,这是导致基于长周期微放电判据分析所得阈值显著高于实验结果这一问题的原因所在.以上结论对于空间大功率微波部件的多载波微放电全局阈值评估和抑制设计具有指导意义.     

高功率盒形窗内次级电子倍增效应

以S波段高功率盒型窗为对象,采用Monte Carlo模拟方法对盒型窗内的次级电子倍增效应进行研究,探索次级电子的倍增规律。模拟得到了盒型窗内TE11模和TM11模共同作用下,两种陶瓷窗片表面次级电子倍增活跃的区域随传输功率的变化特点。在低传输功率下,次级电子仅在未镀膜窗片表面被激励,并以双面倍增的方式在金属法兰与镀膜窗片相对应的区域增长;在较高的传输功率下,窗片表面的次级电子将以单面倍增的方式活跃在窗片表面与波导口相对的区域。传输功率的升高使得镀膜窗片表面的次级电子倍增活跃区域转移到矩形波导窄边对应的区域,并加剧了未镀膜窗片表面的局部倍增效应。     

材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增的影响

采用蒙特卡罗抽样与粒子模拟相结合的方法,数值研究了材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增瞬态演化及饱和特性的影响.研究发现:随着材料二次电子产额的增加,二次电子增长率以及稳态二次电子数目和振幅均呈现增加的趋势,放电电流起振时间逐步缩短,稳态电流幅值以及放电功率平均值和振幅值均呈现逐步增加并趋于饱和的规律,沉积功率波形延时以及脉宽呈现逐步增加并趋于饱和的趋势.粒子模拟给出了高/低二次电子产额情况下的电子相空间分布、电荷密度分布、平均碰撞能量、平均二次电子产额、二次电子数目和放电电流的细致物理图像.模拟结果表明:高二次电子产额材料,饱和时更倾向趋于单边二次电子倍增类型分布;低二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性由空间电荷场的"去群聚"效应和"反场"效应同时决定,而高二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性则主要是由发射面附近的强空间电荷场"反场"效应决定的.