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。     

高效率磁绝缘线振荡器的设计和数值模拟

 运用2维全电磁粒子模拟程序,综合硬管磁绝缘线振荡器和渐变型磁绝缘线振荡器的优点,设计了具有较易起振和较高效率L波段磁绝缘线振荡器。在普通L波段MILO的基础上,主要进行了两个方面的改进,一是将磁绝缘二极管设计为轴向,即绝缘磁场主要由阴极端面发射的电流提供,二极管间隙为2.2 cm;二是增加慢波结构叶片数目,加入渐变叶片结构,形成渐变MILO模型,叶片总数为13。并针对矩形和具有慢上升前沿的脉冲电压波形分别进行了输出腔、叶片等的优化。两种优化模型在输入电压500~600 kV时,在L波段都获得输出周期平均功率超过5 GW、效率大于20%的微波输出。并对实验中可能产生的射频击穿的问题,提出采用对扼流片尖端进行倒角处理以降低场强。模拟表明,该方法对输出功率和效率影响不大,但有效减小了击穿压力。     

圆柱腔内系统电磁脉冲的数值模拟

应用3维全电磁粒子模拟程序研究腔体的内SGEMP,作为校验,模拟计算了光电子由圆柱腔体端面向内发射的SGEMP模型,并与文献结果进行了对比;使用该程序对圆柱腔体的3维内SGEMP进行模拟研究,得出注量为100 J/m2,特征温度为2 keV的黑体谱X射线,垂直入射高为4.5 cm、半径为7.5 cm的圆柱腔体侧面时,发射电流为20 A,产生的电场最高可达150 kV/m,磁场高达3.0×10?5 T。并对不同X射线注量下的电荷和电场分布情况进行了初步研究。     

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。     

微波大气击穿阈值的理论研究

本文通过对使用有效场强(或均方根场强)得到的微波大气击穿阈值表达式进行讨论, 指出其推导中所做的假设及这些假设应用到微波大气击穿过程中存在的问题. 然后分别使用解析理论和数值模拟对微波大气击穿过程中的有效电子温度变化过程和击穿阈值进行研究, 并将其与直流电场进行比较. 分析发现在高气压下, 电子能量转移频率高, 有效电子温度随电场大幅振荡, 由于电离频率随有效电子温度的增长率大于电子能量损失随有效电子温度的增长率, 因此在高气压时, 微波大气击穿阈值低于使用有效场强的击穿阈值. 通过大量分析, 给出了理论推导和数值模拟得到的微波大气击穿阈值拟合表达式.     

3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE

 介绍了自主编制的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE的基本情况。该程序具备对多种典型高功率微波源器件的3维模拟能力,可以在数百乃至上千个CPU上稳定运行。该程序使用时域有限差分(FDTD)方法更新计算电磁场,采用Buneman-Boris算法更新粒子运动状态,运用质点网格法（PIC）处理粒子与电磁场的耦合关系,最后利用Boris方法求解泊松方程对电场散度进行修正,以确保计算精度。该程序初步具备复杂几何结构建模能力,可以对典型高功率微波器件中常见的一些复杂结构,如任意边界形状的轴对称几何体、正交投影面几何体,慢波结构、耦合孔洞、金属线和曲面薄膜等进行几何建模。该程序将理想导体边界、外加波边界、粒子发射与吸收边界及完全匹配层边界等物理边界应用于几何边界上,实现了数值计算的封闭求解。最后以算例的形式,介绍了使用NEPTUNE程序对磁绝缘线振荡器、相对论返波管、虚阴极振荡器及相对论速调管等典型高功率微波源器件进行的模拟计算情况,验证了模拟计算结果的可靠性,同时给出了并行效率的分布情况。     

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。     

新型高增益太赫兹折叠波导慢波结构

提出采用分段变参数型折叠波导慢波结构提高器件增益的新方法。结合小信号理论分析和束-波互作用的三维PIC数值模拟,进行分段变参数型慢波结构的理论设计研究。通过0.345 THz两段式折叠波导慢波结构的设计实现和模拟验证,结果证明, 相同的电子注工作条件下,两段式慢波结构的电子转化效率和饱和功率相对于传统均匀型慢波结构提高了94%,并可以推广应用到多段式。     

磁绝缘线振荡器中高阶模式的3维数值模拟

 为了解高频MILO实验中高阶模频频出现的原因并考察其对MILO器件性能的影响,利用二次开发的3维全电磁粒子模拟程序KARAT对C波段MILO器件进行了模拟研究。在存在非对称激励的情况下由束波互作用可直接导致高阶模的产生,发现了可与实验中高阶模现象比拟的高阶模,并对其中频率为4.01 GHz的模式做出判定,认为此模式是由非对称的电子和场在互作用腔中相互作用产生的高阶TM11模,并经同轴线传输转化得来。对于频率为3.67 GHz和4.53 GHz的另两高阶模目前尚不能判断。     

磁绝缘线振荡器中模式竞争问题的数值模拟

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。