X波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

 在对磁绝缘线振荡器（MILO）慢波结构色散特性进行理论分析的基础上,结合负载限制型和渐变型MILO的特点,对X波段MILO慢波结构、阴极和中心阳极进行了设计。利用2.5维全电磁PIC程序进行粒子模拟,研究了输出功率与结构参数之间的关系,进一步优化MILO结构。在外加电压为510 kV,束流43 kA情况下,模拟得到平均功率2.83 GW的微波输出,中心频率为8.2 GHz,功率转换效率12.9%。     

高阻抗磁绝缘线振荡器微波提取结构

指出了磁绝缘线振荡器（MILO）微波提取结构传统设计方法中可能存在的问题。通过高频电磁软件模拟得到当微波提取结构具有不同特征阻抗时TEM模式功率传输效率在MILO工作频点附近的频率响应规律。模拟结果表明,当MILO阻抗较高时,用传统方式设计的微波提取结构不能满足TEM模式传输的要求。为了解决高阻抗情况下TEM模式的传输困难,提出并讨论了阶梯负载的设计方案。进一步模拟结果表明,阶梯负载克服了TEM模式的传输困难,提高了微波提取结构对MILO频率漂移的适应能力。     

双频磁绝缘线振荡器微波产生特性的数值研究

 利用数值模拟的方法,研究了角向分区比例分别为1∶1,1∶2,1∶3,2∶1和2∶2的双频磁绝缘线振荡器（MILO）的微波产生特性,得到了“热腔”条件下的微波电场分布,电子的相空间图,输出微波的总功率,以及微波频率随角向的分布变化等特性。为了比较,还给出了对应于双频MILO的谐振腔深度的两种常规的角向均匀的单频MILO的模拟结果。研究揭示了双频MILO内束 波互作用分区分别工作的规律,提高了对双频MILO产生双频率高功率微波的机理的认识,为双频MILO的双频辐射技术和双频微波测试技术提供了依据。     

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%。     

P波段混合型MILO的粒子模拟

 结合负载限制型磁绝缘线振荡器(MILO)和渐变型MILO的特点提出并设计了P波段混合型MILO的结构,主要以负载限制型MILO结构作为雏形,将其内部仅含有的1根提取叶片用3根长度渐变的慢波叶片组成的渐变段替换。该结构可更好地实现束波相互作用,并使提取间隙电场与MILO输出同轴结构处的电场达到更好的匹配,增加微波输出功率。器件纵向总长度为47 cm,外筒直径为44 cm。优化后的2.5维全电磁粒子模拟结果表明：在二极管工作电压550 keV、电流约57 kA的情况下,输出微波的中心频率为640 MHz,平均功率为4.27 GW,束波转换效率为13.6％,器件4 ns时起振,6 ns达到饱和,且微波输出功率十分稳定,最终输出微波模式为TEM模。     

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%。     

磁绝缘线振荡器的自动优化设计

为克服全电磁粒子模拟(PIC)程序不利于优化设计的弱点,提高高功率微波器件的优化设计水平,将遗传算法与全电磁粒子模拟算法有机融合,研制出二维全电磁粒子模拟并行优化程序。据此对高功率微波源器件——两个波段的磁绝缘线振荡器(MILO):C-MILO和L-MILO进行优化设计。在输入功率不变的条件下,原C-MILO效率为10.8%,经优化后效率为15.4%;原L-MILO效率为12.6%,经优化后效率为17.7%。由此得出,两类MILO模型经优化后在输入功率基本不变的情况下输出功率和效率都有很大程度的提高,且模型几何参数合理,物理图像正确。     

紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的实验研究

 设计加工了一个紧凑型L波段磁绝缘线振荡器(MILO)并进行了实验研究。该MILO具有一个新型收集极和一个新型模式转换器，射频扼流腔减为一个，同时将阴极杆设计成变阻抗结构，该MILO由一台自建的600kV,8Ω，100ns加速器SPARK01驱动。在二极管电压为515～538kV, 二极管电流为58～61kA的条件下, 该MILO在实验中获得了1.76～1.78GHz， 2.2～2.5GW的TM₀₁模高功率微波辐射, 功转换效率为7.3%～7.9%。在30ns的有效电压脉宽下，实验中测得微波脉冲半高宽为15ns。实验结果与模拟结果符合得较好。     

L波段MILO低真空下工作特性的粒子模拟与实验研究

 通过实验和粒子模拟相结合的方法对L波段MILO在低真空度下的工作特性进行了研究。实验和模拟中都观察到了低真空情况下MILO的功率增强和频率升高，在2 Pa内，粒子模拟中没有观察到脉冲缩短现象，实验上脉宽略有下降，但是辐射微波单脉冲能量增大，MILO工作性能在低真空下有一定提高。研究发现适量等离子体填充同样可以改善MILO工作性能。     

L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器的粒子模拟与实验研究

对L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器(MILO)进行了粒子模拟,在输入电压710 kV,电流56.6kA条件下,得到微波输出功率为4.8 GW,微波频率1.22 GHz。根据模拟结果设计MILO实验装置并开展实验研究,介绍了测试方法与测试系统,并对辐射微波功率、频率和模式进行了测量。在二极管电压740 kV,电流61 kA条件下,测得辐射微波功率为3.57 GW,微波脉宽46 ns,微波频率1.23 GHz,功率转换效率8%,辐射微波模式为TM01模。     

一种改进型C波段磁绝缘线振荡器的数值模拟研究

 提出了一种改进型C波段磁绝缘线振荡器，并对其进行了优化设计。首先根据磁绝缘原理对慢波结构进行了理论分析，并选择了磁绝缘线振荡器阴极半径和主慢波结构的基本参数，然后用2.5维全电磁PIC方法研究了输出功率与其它参数之间的关系。模拟表明，优化结构可以在输入约21GW电功率（工作电压约500kV）的条件下，得到频率3.91GHz、平均功率2.71GW的微波输出，其饱和时间为10ns，平均效率为12.9%。     

L波段端面发射高效率磁绝缘线振荡器

 建立了磁绝缘线振荡器自磁绝缘的理论模型,给出了磁绝缘电流计算公式。然后给出了非线性稳态的最大轮辐电流计算公式,并据此分析了负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率。提出一种新型的端面发射型磁绝缘线振荡器,在二极管电压590 kV,二极管电流为55.47 kA情况下,粒子模拟得到周期平均功率6.1 GW左右,工作主频为1.24 GHz,束波转换效率18.64%左右。端面发射型磁绝缘线振荡器的效率比负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率提高6%左右。端面发射的电流不参与束波互作用,由于端面发射的电流比较小,在总电流不变的情况下参与束波互作用的电流增多,从而提高了效率。最后分析了角向磁场的分布以及自磁绝缘的情况。     

C波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

 利用2维半全电磁PIC程序进行数值模拟,设计了一种C波段磁绝缘线振荡器。该振荡器在阴极电子发射起点加圆环,控制此处电子束的发射密度,来减少电子能量的损耗,改善束-波互作用;逐渐加大慢波结构的后两个叶片的内半径,增大微波群速度,便于谐振腔中的能量输出,提高微波输出效率;采用两个扼流片有效地阻止了微波功率向二极管区泄漏,相应减小了器件的尺寸。当外加电压为430 kV、束流46 kA时,饱和后输出微波平均功率2 GW,频率3.51 GHz,功率转换效率10%。     

高电压运行的高效率磁绝缘线振荡器设计

为追求更高的输出功率和效率,在理论分析的基础上,采用理论和PIC数值模拟相结合的方法设计了较高工作点电压（700 kV）的磁绝缘线振荡器模型,数值模拟结果表明:当输入电压为695 kV、输入功率为55.7 GW时,输出周期平均功率为11.2 GW,效率为20.1%;与以往低工作点的磁绝缘线振荡器相比, 效率较高,且和低工作点的器件只在最佳工作点处取得最大效率不同,本器件随着电压升高,效率进一步提高。     

Magnetically insulated transmission line oscillator oscillated in a modified HEM11 mode

This paper puts forward a novel magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) for the first time which takes a modified HEM11 mode as its main interaction mode. The excitation of the oscillation mode is made possible by carefully adjusting the arrangements of each resonant cavity in a two-dimensional (2-D) slow wave structure. The high frequency characteristics are analyzed and a PIC simulation is carried out; the detailed results are discussed to get a better understanding of this new MILO. Employing an electron beam of about 441 kV and 39.7 kA, it finds that the modified HEM11 mode MILO generates a high power microwave output of about 1.47 GW at 1.45 GHz. The power conversion efficiency is about 8.4% and the generated microwave is in a TE11-like circularly polarized mode; its polarization direction is decided by the rotation direction of the SWS.     

磁绝缘线振荡器脉宽及效率与三角波电压关系

采用数值模拟与实验相结合的方法,在没有功率容量不足问题的情况下,研究了磁绝缘线振荡器(MILO)的输出微波脉宽和功率效率与类似三角形二极管电压的关系,研究结果表明:在相同宽度的电压条件下,随着电压幅度的增大,输出微波的底宽和半高宽相应增大,功率效率先增大,当达到饱和后功率效率逐渐降低;在相同电压幅度条件下,随着二极管电压上升沿(斜率不变)的增大,输出微波的半高宽略有增大,但功率效率略有降低。因此,在有限脉宽的类似三角形二极管电压条件下,通过增大二极管电压上升沿的方法,可以有效地增大输出微波脉宽;而在有限电压幅度条件下,通过减小电压上升沿的方法,可以有效地增大输出微波的功率。选择适当的二极管电压参数,可以解决MILO器件在类似三角形二极管电压条件下的输出微波功率和脉宽两个指标相匹配的问题。     

HEM₁₁ mode magnetically insulated transmission line oscillator:Simulation and experiment

A novel magnetically insulated transmission line oscillator(MILO) in which a modified HEM 11 mode is taken as its main interaction mode(HEM 11 mode MILO) is simulated and experimented in this paper.The excitation of the oscillation mode is made possible by carefully adjusting the arrangement of each resonant cavity in a two-dimensional slow wave structure.The special feature of such a device is that in the slow-wave-structure region,the interaction mode is HEM 11 mode which is a TM-like one that could interact with electron beams effectively;and in the coaxial output region,the microwave mode is TE 11 mode which has a favourable field density pattern to be directly radiated.Employing an electron beam of about 441 kV and 39.7 kA,the HEM 11 mode MILO generates a high power microwave output of about 1.47 GW at 1.45 GHz in particle-in-cell simulation.The power conversion efficiency is about 8.4 % and the generated microwave is in a TE 11-like circular polarization mode.In a preliminary experiment investigation,high power microwave is detected from the device with a frequency of 1.46 GHz,an output energy of 43 J-47 J,and a pulse duration of 44 ns-49 ns when the input voltage is 430 kV-450 kV,and the diode current is 37 kA-39 kA.