同轴周期慢波结构色散特性的通用数值解法

运用场匹配法和傅里叶级数理论,提出一种原则上可数值求解任意同轴周期慢波结构色散特性的方法,给出了同轴慢波结构TM0n模的色散方程。基于该方法,编制了Matlab程序,给出了同轴波纹波导和同轴双波纹波导色散特性,以算例形式分析计算了同轴盘荷波导的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件结果进行比较,证明了该数值算法的准确性和可靠性。     

同轴周期慢波结构色散特性的通用数值解法

 运用场匹配法和傅里叶级数理论,提出一种原则上可数值求解任意同轴周期慢波结构色散特性的方法,给出了同轴慢波结构TM_0n模的色散方程。基于该方法,编制了Matlab程序,给出了同轴波纹波导和同轴双波纹波导色散特性,以算例形式分析计算了同轴盘荷波导的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件结果进行比较,证明了该数值算法的准确性和可靠性。     

同轴反射三极管振荡器的数值模拟

 提出了一种新型的同轴反射三极管振荡器并对其进行了数值模拟研究。新模型在阴极底座处延伸出一定半径和长度的内导体到互作用区,使得互作用区有了一定的电场梯度,有助于电子在虚阴极和阴极之间来回反射。另外,阴极内导体的引入也使得该器件要求的电子束阻抗可以较高,阴阳极间距可以较大。在电子束电压和电流分别为590 kV和19.1 kA、输出区波导半径为5.6 cm、二极管阴阳极间距为2.5 cm时,通过参数优化,模拟得到输出频率、周期平均功率和效率分别为3.62 GHz,1.7 GW和15%的微波输出。对器件的物理机制进行了初步分析,结果表明反射电子的振荡对微波的产生起主要作用。     

新型双间隙虚阴极振荡器的理论分析和数值模拟

该新型双间隙虚阴极振荡器的互作用区为一带孔金属薄膜隔开的两个圆柱形谐振腔;器件采用侧向提取同轴输出的方法,具有输出效率高和输出模式纯的优点;第一阳极薄膜采用了局部薄膜结构。对互作用腔进行冷腔分析,计算得到互作用腔Ⅰ和Ⅱ的品质因子分别为6 960和71.8,共振频率为2.3 GHz。当电子束电压为515 kV、电流为10 kA时,通过参数优化,模拟得到周期平均峰值功率大于570 MW、频率约2.4 GHz的微波输出,效率达到11%。模拟还发现电子束的最佳阻抗值约为51.5 W;电子束的输入功率在较大范围内变化时,器件的输出效率保持大于10%;在一定的范围内,器件的输出效率随电子束密度的增加而增加。对器件中由于电子能量沉积而引起的阳极膜的温升进行了估算,得到膜的最高温度为434 K,远低于熔点933 K。     

同轴回旋行波放大器的理论和数值研究

给出了一组描述同轴回旋行波放大器中波束相互作用的非线性自洽方程组,对该放大器的运行特性进行了研究。得到：在小信号区,辐射场的增益随同轴波导的内外半径比b/a的增加而增加,达到饱和时的辐射功率仅略有下降;内外导体管壁上的功率损耗密度随b/a的增加而减小。采用电压为90kV,电流为10A,纵向速度零散度为3%,速率比为1的电子束,在34.26～36.78GHz的频率范围内,计算得到了峰值功率约230kW的微波输出,相应的增益和效率分别为46.6dB和25.5%,带宽为7%,内外导体管壁上功率的最大损耗分别为80和56W/cm2。     

螺旋波导压缩频率调制脉冲的初步研究

利用螺旋波导对频率调制脉冲进行压缩可大幅度提高脉冲峰值功率。利用所编Matlab程序对螺旋波导的色散特性进行了计算和分析,获得了波纹幅度和纵向周期长度等结构参数对其色散特性的影响规律;给出了脉冲功率压缩比的计算公式,对不同脉宽和频带宽度、不同频率调制形式的微波脉冲通过螺旋波导后的功率压缩比进行了计算和分析。计算表明：脉冲的频率调制形式对功率压缩比影响较大;相同频率调制形式下,脉冲长度越长,工作频带越宽,功率压缩比越高。为了获得尽可能高的功率压缩比,需对脉冲的频率变化方式进行调节,使其与螺旋波导色散特性匹配。同时还需要在高的功率压缩比和高的压缩效率之间做出权衡。计算得到,当注入脉冲的脉宽为40 ns、工作频带为8.8~9.5 GHz、频率调制形式与螺旋波导色散特性匹配时,功率压缩比达到了15,压缩效率约为40%。     

太赫兹波段折叠波导行波管的线性分析和计算

给出了太赫兹波段折叠波导行波管中考虑管壁欧姆损耗的带电子束扰动的色散方程。求解该方程可以得到器件中小信号增益的值。通过编制Matlab程序,分析计算了不同工作点、不同折叠波导结构参数和不同工作频段时小信号增益的变化特性。计算结果表明：适当选取工作点和结构参数,可以获得最佳增益值;考虑损耗后,除了前向增长的辐射场外,还会出现反向传输的静态波;随着工作频段向高频方向延伸,前向波的增益显著降低,而反向波强度则增大。因此,工作频率提高时,为了达到一定大小的增益,需要的折叠波导的周期数也相应增加。     

同轴回旋行波放大器的理论和数值研究

 给出了一组描述同轴回旋行波放大器中波束相互作用的非线性自洽方程组，对该放大器的运行特性进行了研究。得到：在小信号区，辐射场的增益随同轴波导的内外半径比b/a的增加而增加，达到饱和时的辐射功率仅略有下降；内外导体管壁上的功率损耗密度随b/a的增加而减小。采用电压为90kV，电流为10A，纵向速度零散度为3%，速率比为1的电子束，在34.26～36.78GHz的频率范围内，计算得到了峰值功率约230kW的微波输出，相应的增益和效率分别为46.6dB和25.5%，带宽为7%，内外导体管壁上功率的最大损耗分别为80和56W/cm²。     

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。     

基于JASMIN并行框架的2.5维粒子模拟程序NEPTUNE2D的研制北大核心CSCD

介绍了2.5维自主研制的并行电磁粒子模拟程序NEPTUNE2D初步研发情况。该程序基于JASMIN并行自适应结构网格支撑框架研制,并行效能高,可扩展性强,且支持动态负载平衡;采用新型PIC算法替代传统算法,避免求解泊松方程修正电场,更适用于大规模并行计算;程序支持r-z坐标系下的器件仿真,可应用于高功率微波器件、电真空器件的快速模拟设计。该程序现已完成电磁场更新、粒子推进、电磁场注入/引出、粒子发射/吸收等基本物理功能模块的研制,并通过同轴线、圆波导、同轴二极管及无箔二极管算例模拟验证了模块的正确性。最后,应用NEPTUNE2D程序设计了一个高效同轴相对论返波管,给出了粒子模拟结果和并行性能测试结果。