高功率微波器件中脉冲缩短现象的粒子模拟

脉冲缩短是高功率微波器件的一个普遍现象，它阻碍了输出微波能量的进一步提高，是高功率微波研究领域中急待解决的问题.以相对论返波管作为研究对象，运用粒子模拟的方法，研究了器件表面的爆炸发射、电子束电压和电流的脉动对输出微波性能的影响，从中得到了一些有益的结论，指出由强电场引起的慢波系统表面的爆炸发射是产生脉冲缩短的重要因素 ，电子束电流和束电压的脉动也会引起脉冲缩短，并提出了相应的克服方法. 关键词： 高功率微波器件 相对论返波管 脉冲缩短 粒子模拟     

收集极释气对相对论返波管影响的粒子模拟

相对论返波管被认为是最具有应用潜力的高功率微波器件之一.随着输出微波功率的进一步提高,相对论返波管内部包括收集极处的击穿现象越来越严重,最终导致脉冲缩短,成为器件向高功率、高能量方向发展中的最大障碍,也是目前制约其发展的重要问题之一.本文基于自主研发的2.5维粒子模拟软件UNIPIC-2D,采用动态释气模型研究了不同释气系数下相对论返波管收集极释气与电离过程及引导磁场的影响.粒子模拟结果表明,随着电子不断轰击收集极,收集极表面气压升高,并发生气体电离,产生的等离子体沿引导磁场进入慢波结构区域,影响束-波相互作用过程,使得输出功率下降;随着释气系数的增大,脉冲缩短现象越来越明显;在低引导磁场情况下,击穿以及脉冲缩短现象得到一定的缓解.     

充中性气体相对论返波振荡器的粒子模拟研究

 用PIC粒子模拟方法研究了充中性气体相对论返波管的物理机制，成功模拟了电子束碰撞充入返波管中的中性气体电离产生等离子体的过程，在电子束传输的路径上形成离子通道，有效中和电子束径向空间电荷力，有利于电子束的传输及束波相互作用产生微波。增加中性气体密度，返波管的输出频率明显上移，其辐射的功率和效率比相同的真空器件也有明显的提高。     

等离子体填充0.14 THz相对论返波管模拟

模拟了0.14 THz相对论返波管中电子束与氩气相互作用产生等离子体的过程, 研究了在不同气压条件下, 等离子体对相对论返波管的输出功率、频率以及起振时间的影响. 模拟结果表明, 等离子体背景能引起太赫兹波段真空电子器件脉冲缩短, 并出现新的频率分量; 适当地注入等离子体能减少0.14 THz相对论返波管的起振时间, 提高器件的输出功率. 关键词： 太赫兹 相对论返波管 粒子模拟 等离子体     

充填不同气体相对论返波管特性的PIC-MCC模拟

讨论了PIC-MCC方法的基本原理以及在UNIPIC软件中的编程实现,并用该软件模拟了充填不同种类气体在不同气压下相对论返波管的气体电离过程,讨论了所产生的等离子体对电子束的传输以及波束相互作用的影响.给出了返波管输出功率、频率和起振时间随气体种类和气压等参数的变化情况.模拟结果表明,电离产生的阳离子是返波管性能改善的原因,而腔内滞留的低能电子是破坏返波管振荡而引起脉宽缩短的重要因素. 关键词： 蒙特卡罗碰撞 粒子模拟 高功率微波 相对论返波管     

阳极结构对过模返波振荡器长脉冲工作特性的影响

针对过模返波振荡器中泄漏微波在二极管区谐振, 造成微波脉冲缩短的现象, 设计了内置吸波材料的阳极结构来抑制这种泄漏微波对器件输出的影响。利用粒子模拟软件对不同阳极结构下过模返波管微波输出特性进行模拟研究, 模拟结果表明, 带吸波材料的阳极结构可以减小泄漏微波对微波输出功率、器件工作模式及脉冲宽度的影响。在长脉冲过模返波振荡器实验中, 电子束参数为（800 kV, 7 kA）时, 器件输出微波频率为8.58 GHz, 效率为30%。通过模拟计算和实验验证, 这种带吸波材料的阳极结构有效降低了泄漏微波对过模返波管微波输出的影响, 将器件输出微波脉冲宽度从70 ns提高到110 ns。     

锁频锁相的高功率微波器件技术研究

综述了中国工程物理研究院应用电子学研究所锁频锁相的高功率微波器件最新研究成果,主要包括稳频稳相的相对论速调管放大器和注入锁相的相对论返波管振荡器.针对高功率长脉冲相对论速调管研究中遇到的问题,介绍了该放大器的束波互作用特点、杂频振荡抑制、脉冲缩短、高频段高功率运行、高增益等物理、设计与实验中的关键技术研究概况,使其功率、相位稳定性、增益等性能有了显著提高,S波段环形单注相对论速调管实现了高功率稳相输出,重频25 Hz运行时输出功率大于1 GW,脉宽大于150 ns、相位波动18°,高增益运行时在注入微波功率数kW条件下也实现类似功率和相位水平;采用同轴多注器件结构,突破了速调管高频段运行条件下高效率电子束引入和高功率束波转换技术等难题,使X波段相对论速调管在注入功率30 kW条件下实现了功率大于1 GW的放大输出,效率为34%,相位波动为15°.在掌握相对论返波管技术的基础上,利用返波管的高效率和结构紧凑的优点,开展了注入调制电子束锁相的相对论返波管研究,采用百kW级的种子微波实现了对GW量级输出微波的相位锁定.该研究结果对功率合成、粒子加速和多功能雷达等技术具有重要的推动作用.     

基于粒子模拟和并行遗传算法的高功率微波源优化设计

提出了基于粒子模拟和并行遗传算法的高功率微波源优化设计方法, 以全电磁粒子模拟软件UNIPIC模拟的高功率微波器件输出功率作为适应度函数, 采用浮点数编码的遗传算法对高功率微波源器件进行优化. 采用该算法, 对相对论返波管的布拉格反射器位置以及高度进行了浮点数编码,然后在巨型机上进行参数的全局优化, 获得了该返波管布拉格反射器的全局最优参数. 关键词： 并行遗传算法 相对论返波管 粒子模拟 高功率微波源     

相对论返波管振荡器齿状阴极

研究了一种齿状阴极的电子束产生传输过程以及对相对论返波管振荡器产生高功率微波的影响。基于SINUS881加速器,利用束流轰击金属靶观测齿状阴极产生电子束在不同轴向位置上的角向分布,并开展了基于环形阴极和齿状阴极的X波段相对论返波管振荡器的实验研究。对不同齿数及尺寸对电子束流特性、器件输出微波功率和脉冲宽度的影响进行了分析。实验结果表明:当阴极的齿数增加到一定数量时,电子束的横向运动使得电子束在径向逐渐趋于分布均匀;与均匀环形阴极的打靶结果近似,此时,电子束对于相对论返波管振荡器产生微波的功率和脉宽影响不大。     

消除预脉冲电压的撬棒管开关法

 分析了脉冲线加速器在放电过程中产生的预脉冲电压现象。为了减少预脉冲电压引起的等离子体发射对正常状态的影响，采用了一种冷阴极撬棒管，将它与阴极杆相连。实验证明在采用了这种器件后，预脉冲电压可以从150kV左右减少到50kV。相对论返波管和相对论磁控管的性能得以显著改善。     

Relativistic X-band BWO with 3-GW output power

Results from a study of a relativistic X-band backward-wave oscillator (RBWO) with 3-GW output microwave power are presented. The RBWO was driven by the high-current electron accelerator SINUS-7. The dependence of radiated microwave pulse duration on microwave power was obtained. Pulse shortening occurring at the higher power levels is probably attributable to explosive electron emission from the slow wave structure (SWS). An increase in the cross section of the electrodynamic structure seems to be a way to increase the microwave pulse duration. Experimental results from a moderately oversized X-band RBWO using a resonance reflector are described. This tube can be operated with a low external magnetic field     

等离子体对相对论返波管工作影响的粒子模拟

金属高频结构的射频击穿是引起功率下降和脉冲缩短的重要原因,是限制高功率微波(HPM)向更高功率、更长脉冲发展的重要因素。射频击穿的物理过程极其复杂,并且开展射频击穿研究对实验条件等要求高,因此粒子模拟是研究射频击穿的重要手段。通过在慢波结构表面设置爆炸发射电子和离子的方式模拟等离子体对一个X波段的相对论返波振荡器(RBWO)和一个Ka波段的RBWO工作的影响。粒子模拟结果表明,对于分段式慢波结构,后段慢波结构产生等离子体会对电子束的调制造成影响,进而影响器件正常工作,引起微波功率下降。当等离子体由质量较轻的正离子和电子组成时,会对束波作用造成更大的影响,引起较大的输出功率下降。相同密度的射频击穿等离子体对Ka波段RBWO工作的影响大于对X波段RBWO的影响。     

C波段长脉冲相对论返波管设计与实验

从抑制强场击穿的角度出发,结合传统理论和相关粒子模拟方法,设计并优化了工作于C波段的长脉冲相对论返波管。模拟中,利用强流相对论电子束的空间电荷场效应,将3 GW功率水平下电动力学结构表面的最大发射电场控制在700 kV/cm以下。利用实验室700L脉冲功率驱动源平台开展了相关实验验证,实验结果表明,通过合理的结构设计,在功率3 GW级水平下,C波段相对论返波管中的脉冲缩短问题能够得到有效抑制。实验中,当工作电压760 kV、电流为9.0 kA时,在4.23 GHz频点处获得的输出微波功率为2.8 GW,微波脉冲半高宽约101 ns,功率转换效率约41%,实验结果与模拟结果吻合较好。     

X波段相对论返波管谐振反射器

基于TPG2000强流电子束加速器和带谐振反射器的相对论返波管振荡器,开展了X波段高功率微波产生实验研究,获得了功率约2.5 GW,脉宽约20 ns的微波输出。理论分析及模拟了不同倒角大小对谐振反射器的表面电场及截止性能的影响,并对不同倒角开展了实验研究。结果表明,对谐振反射器倒角可增加输出微波脉冲宽度,且随着倒角增加,微波脉宽增加,效率略有降低。在谐振反射器倒角5 mm情况下,利用电压900 kV,电流9 kA的强流电子束,实验获得了功率约2.5 GW、脉宽大于25 ns的微波输出。     

相对论返波管超辐射产生与辐射的数值模拟研究

本文研究了相对论返波管产生X波段超辐射问题,产生中心频率为9.25 GHz的电磁脉冲,并在相对论返波管的输出端直接接入VLASOV辐射天线.提出将粒子模拟软件UNIPIC与自行研制的天线辐射模块相结合,实现超辐射现象微波的产生以及辐射的全过程模拟,并研究了输出功率随注入波脉冲以及填充稀有气体气压的变化.模拟结果表明,器件的峰值功率可以达到3.68 GW,瞬时效率超过100%,VLASOV天线在斜切角为20?时,天线的增益达到15.5 dB,在1 km处的功率密度可达到0.728 W/cm2.     

S波段长脉冲相对论返波振荡器实验研究

从物理机制上定性地分析了导致脉冲缩短的主要原因,给出了长脉冲重复频率运行下的相对论返波振荡器(RBWO)设计原则。结合传统谐振式返波振荡器的基本设计理论,设计和模拟优化了工作在S波段的长脉冲RBWO,并利用本实验室现有长脉冲脉冲功率驱动源开展了S波段长脉冲RBWO的实验研究。实验结果表明:在单次运行条件下,微波输出功率达到约2 GW、脉宽约90 ns;在10 Hz重复频率运行条件下,输出微波功率达到约1 GW、脉宽约100 ns。器件产生的微波频率为3.6 GHz,输出模式为TM01模,效率约20%。对实验结果分析表明,器件截止颈和第一个慢波结构结合处的爆炸发射是导致脉冲缩短的主要原因之一。     

抑制表面场增强提高相对论返波管功率容量

相对论返波管（RBWO）高频结构表面微凸起结构导致的表面场致电子发射会加速或加剧射频击穿过程, 引起RBWO功率容量下降。为提高现有RBWO的功率容量, 给出了RBWO高频结构表面场增强的抑制方法, 对一种X波段RBWO表面进行了精密工艺处理后, 将表面粗糙度降低至未经表面精密处理时的1/40以下, 有效降低了高频结构表面场增强因子, 减小了结构表面场致发射电子的能力。进一步开展的高功率微波实验研究表明, 抑制表面场增强后X波段RBWO的功率容量提高了25%。     

中等能量P波段相对论返波振荡器的理论设计与粒子模拟

提出了一种新型的中等能量P波段相对论返波振荡器,该器件将慢波结构由低波段普遍采用的同轴外波纹结构变为同轴双波纹结构,使得径向束-波作用空间扩大了2倍,一定程度上增加了器件的功率容量;另外同轴双波纹结构还较大提高了器件的时间增长率,从而有效地减小了微波输出饱和时间.经优化设计,该结构在二极管电压300 kV、电流3 kA...