向外发射同轴型虚阴极振荡器研究

在高功率微波源研究领域提出了一种新型虚阴极器件——向外发射同轴型虚阴极振荡器.对其相关束流特性进行了理论分析,得到了同轴空间径向传输空间电荷限制电流,以及虚阴极产生的条件和电子束运动的基本规律.基于数值模拟得到的结果,向外发射同轴型虚阴极振荡器不仅表现出较高的能量转换效率,而且有利于增加虚阴极器件产生高功率微波的脉宽,同时还可以应用于低频段高功率微波源.这种虚阴极器件的可能输出微波方式也进行了讨论 关键词： 虚阴极 高功率微波 脉冲功率 电子束二极管     

同轴慢波结构相对论高功率微波产生器理论分析

 推导了同轴波导的空间电荷限制流，其值大于圆波导的空间电荷限制流。因此在阴极电势和束流相等的情况下，同轴波导中的束流具有更高的动能，同轴器件有可能获得更高的微波转换效率。理论推导出同轴慢波结构中考虑束流空间电荷影响的色散方程，利用Matlab进行了编程求解。不考虑束流空间电荷影响时，编程计算结果与Superfish模拟结果一致。由考虑束流空间电荷影响的色散方程数值计算结果，可知文献中提出的同轴慢波结构相对论高功率微波产生器工作在准TEM模的π模，频率为7.67 GHz，峰值时间增长率较高，电子束损失的能量与其初始能量之比为34%。这些结果均与文献中的数值模拟结果一致。同时理论分析说明该种器件无论在能量转换效率，还是在产生微波脉冲的上升时间上均具有优势。     

新型高功率径向强流速调管振荡器

 提出了一种新结构的高功率径向强流速调管振荡器,该器件利用折叠式同轴谐振腔的微波场与接近空间电荷限制电流的径向电子束强烈相互作用产生高功率微波。首先对这种器件的实现机理进行了初步的分析，提出了有间隙电压情况时的径向同轴间隙的空间电荷限制电流1维近似估计模型。分析表明：对于电子束直流接近但小于直流空间限制电流的径向速调管，当有调制间隙电压时，空间限制电流要小于无调制间隙电压情况下的直流空间限制电流，径向强流电子束电流接近和超过空间电荷限制电流时会出现强烈的调制。然后用PIC程序对其特性进行了粒子模拟，在二极管输入电压500 kV、电子束电流为30 kA条件下，最终得到了峰值功率6 GW、频率1.3 GHz的微波输出。     

相对论电子束虚阴极静电振荡的粒子模拟

本文运用有限大小粒子模型,用等离子体粒子模拟方法,对相对论电子束的虚阴极振荡作了一维静电粒子模拟。结果表明,在注入电流小于空间电荷极限电流时,电子束能稳定传输并能全部通过。当注入电流超过空间电荷极限电流时,传输是不稳定的,将有部分电子反射,部分通过。空间电荷形成的虚阴极的位置和电势周期性地振荡。电流越大,虚阴极位置越靠近注入面且变化范围越小,虚阴极电势越低且振幅越大,振荡频率越高且大于电子束等离子体频率。     

相对论速调管三轴提取腔的分析与设计

分析了同轴漂移管中电子束的空间电荷限制流和能量分布，为了降低S波段相对论速调管放大器(RKA)中电子束空间电荷效应及势能，提高RKA的束波转换效率，提出了三轴结构的输出腔，理论分析RKA的束波转换效率达到36%，比同轴提取腔的束波转换效率提高了9个百分点. 采用数值计算程序设计了三轴提取腔，粒子模拟了S波段RKA的微波提取，取得了与理论分析一致的结果. 采用590kV/5kA的空心电子束，经过预调制腔和群聚腔等两个腔的调制后，采用三轴提取腔提取微波，得到了约1.0GW的微波功率，效率35%. 理论研究结果与实验结果吻合得较好. 关键词： 相对论速调管放大器 三轴提取腔 空间电荷限制流     

束流预调制型同轴虚阴极振荡器的初步理论分析

利用求解格林函数的方法,对束流预调制型同轴虚阴极振荡器进行了初步理论分析。分析结果表明,相同参数入射电子束同轴虚阴极振荡器的束波转换效率正比于预调制深度的平方,提高预调制的深度可以很好地提高束波转换效率;任意的束波互作用区结构参数和入射束流分布参数,都会存在一个对应工作状态下最大束波转换效率的最佳预调制频率,合理选择预调制频率可以优化同轴虚阴极振荡器的微波输出。     

束流预调制型同轴虚阴极振荡器的初步理论分析

 利用求解格林函数的方法,对束流预调制型同轴虚阴极振荡器进行了初步理论分析。分析结果表明,相同参数入射电子束同轴虚阴极振荡器的束波转换效率正比于预调制深度的平方,提高预调制的深度可以很好地提高束波转换效率;任意的束波互作用区结构参数和入射束流分布参数,都会存在一个对应工作状态下最大束波转换效率的最佳预调制频率,合理选择预调制频率可以优化同轴虚阴极振荡器的微波输出。     

层流平衡相对论电子束束流特性的数值计算

通过对层流平衡相对论电子的运动微分方程组进行数值求解,得到正则角动量在pθ=0,pθ=const.和pθ∝r2三种情况下,束流的传输特性.针对pθ=0的相对论实心电子束,利用数值求解得到了与解析方法一致的结果,从而验证了数值方法的合理性;针对无法用解析方法求解的pθ=0环行电子束、pθ=const.和pθ∝r2的情况,利用数值方法得到了束流和空间极限电流关于波导、电子束结构和二极管电压等参数的变化规律及对轴向导引磁场的要求.计算结果表明:当相对论电子束以层流平衡态传输时,环行束较实心束具有更高的空间极限电流和更低的轴向导引磁场,且当阴极发射面与导引磁场的磁场线垂直时,维持电子束层流平衡所需的轴向导引磁场最低;电子束在有限磁场导引下以层流平衡态传输时,空间极限电流明显大于无限大磁场导引下一维近似的情况.利用数值方法对层流平衡相对论电子束进行理论研究,更全面地揭示了电子束在正则角动量满足不同条件时的束流特性,为设计新型结构的高功率微波器件提供理论参考.     

强流相对论多注电子束研究进展

研制了基于爆炸发射的扇形和圆柱形多注阴极系统,并开展了强流相对论多注电子束的实验研究。研究发现:扇形多注阴极由于发射端面电场分布严重不均,电子束主要由尖端发射,束斑畸变明显,当每注扇形电子束进入到多注扇形漂移管内时,在空间电磁场的作用下电子束会绕束心旋转,导致束斑的畸变和束流的损失;圆柱形多注阴极发射端电场分布相对均匀,电子束斑畸变较小,每注电子束在多注漂移管内绕束心的旋转不会引起束斑的畸变和束流的损失;由于阴极杆和多注阴极柱的发射,多注电子束品质较差,进入多注漂移管时存在电子束轰击管壁现象,造成束流的损失甚至截止。采用大内径磁场可增大阳极筒内半径,明显提高束流的传输效率。目前,采用功率约6.5 GW、传输效率约89%的相对论多注电子束驱动的多注速调管,可实现GW量级的微波输出。     

磁场对球头阴极二极管特性的影响

 采用全电磁PIC粒子模拟方法研究了磁场对球头阴极二极管物理特性的影响。结果表明外加磁场主要是通过对二极管束流轨迹的改变来影响二极管的物理特性。由于外加磁场将约束其产生电子束的发散，结果使其空间电荷限制电流减小，其值在无外加磁场并且自磁场可以忽略时的空间电荷限制电流值的0.5~1倍范围内。当外加磁场足够强时，束流轨迹主要受外加磁场控制，二极管产生的电子束既不箍缩也不发散。强外加磁场条件下的空间电荷限制电流近似为无外加磁场时的一半；在无外加磁场条件下，在阳极处的束流半径随二极管电压电流的增大而减小，空间电荷限制电流增强因子随束流半径的减小而减小，随二极管电压电流增大而减小。这一系列结果是在二极管电流小于其自箍缩临界电流条件下得到的。     

Feasibility Study of Axially- Extracted Virtual Cathode Oscillator

In this paper, we have analyzed the design parameters of the axially - extracted virtual cathode oscillator, which is high-power microwave source based on the concept of the virtual cathode associated with the intense relativistic electrons beam oscillations in the electrostatic potential well. The microwave emission by the virtual cathode oscillator results from both the space and time oscillations of virtual cathode and reflexing electrons trapped in the potential well between the virtual and real cathodes. In the X-band frequency spectrum 700 MW microwave peak power has been obtained analytically by the solid electron beam of 300 kV and 20 kA for feasible design parameters. The analysis has been performed by 2-dimensional, relativistic, electromagnetic particle-in-cell simulation code XOOPIC.     

离子通道中的虚阴极辐射

提出了一种新型的基于等离子体的多级虚阴极振荡器物理模型并展开了研究.研究表明:当电子束通过稠密等离子体背景时,由于离子背景和焦点处虚阴极的共同作用,得以形成多级虚阴极;多级虚阴极对电子的作用,使电子在各级之间振荡,从而产生高功率微波辐射.这是与离子通道横向的betatron振荡完全不同的一种辐射机理.通过质点网格(particle in cell)法模拟验证了多级虚阴极的形成,模拟中发现,所选参数TM024模被激发起来.最后,在所建模型的基础之上对辐射特性做了详细分析.     

等离子体中热阴极鞘层的结构

结合热阴极电子发射理论和等离子体鞘层流体方程研究了热阴极附近存在虚阴极结构时的等离子体鞘层问题,采用Sagdeev势的方法讨论了鞘层解和广义Bohm判据.结果表明,不同于普通的Bohm鞘,由于热阴极附近存在大量发射电子,影响整个等离子体鞘层结构,使得进入鞘层的离子临界Mach数不是独立的常数,而是与鞘层电位降等参数有关的物理量.临界Mach数随着鞘层电位降（从鞘边缘到虚阴极）先增大后降低,并且随着热阴极温度的升高单调增大.此外,在平板模型下有相当可观的残余热发射电子越过虚阴极鞘层进入等离子体. 关键词： 鞘层 热阴极发射 Bohm判据     

Characterization of electron flow in negative- andpositive-polarity linear-induction accelerators

The operation of the linear-induction accelerators HELIA and Hermes III was studied in both negative and positive polarities. The experiments in positive polarity have provided a unique opportunity to explore the consequences of multiple-cathode electron emission in magnetically insulated transmission lines. It is maintained that an examination of the total energy-canonical momentum distribution of the electrons explains the features of the magnetically insulated flow exhibited by these systems. Simple analysis based on the basic concept of pressure balance, in conjunction with particle-in-cell numerical simulations, shows how the line voltage is related to the anode and cathode currents. Two flow designations are introduced that can apply to multiple-cathode, magnetically insulated transmission lines: full-gap flow (FGF) and locally emitted flow (LEF)     

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。     

Simulations of plasma formation in the cathode sheath of an efficient excimer lamp

Based on the available experimental data and computer simulations, analytical approximations of the quantities characterizing electron multiplication in the cathode sheath are proposed. The critical electric field is found above which runaway electrons are observed. Using the approximations proposed, the dependences of the plasma parameters (the electron and ion densities and currents and the electric field strength) on the distance from the cathode are analyzed. Simple formulas for the total current, the cathode sheath thickness, and the cathode potential drop as functions of the electric field on the cathode surface are derived.     

On the stationary states of electron beams in a drift space

The results of a number of studies on virtual cathodes in electron beams subjected to a high magnetic field are shown to be erroneous. The possibility of a virtual cathode occurring in coaxial hollow beams at currents below the limiting value is proved rigorously.     

Chaotic wideband microwave oscillations in a hybrid system consisting of a traveling wave tube and a collector oscillator

A novel hybrid microwave device based on a wideband microwave amplifier, a traveling-wave tube, one component of which is a multistage collector oscillator is proposed and experimentally studied. The collector oscillator can form a virtual cathode via deceleration of electrons that exit from the interaction space of the traveling wave tube. It is shown that this device can generate and amplify centimeter-wave chaotic wideband signals. The characteristics of the chaotic signals (spectral composition and total power) generated in different operating modes of the hybrid device are determined. The issue of amplification of the chaotic wideband signal generated with a virtual cathode in the traveling wave tube amplifier is concisely addressed.