虚阴极振荡器“硬管化”实验研究

采用锆泵作为吸气泵,设计出静态保真空模拟实验装置。在该实验装置上进行了保真空可行性实验,装置在经过10 d的保真空后,真空度为1.4×10-3 Pa 。在模拟保真空实验成功实现的基础上,用常规微波管技术设计加工了“硬管”器件,并进行保真空实验,静态下真空度经过15 d仍能维持在2×10-2 Pa。该器件在峰值电压为330 kV的条件下,输出微波功率达到650 MW,脉宽为40 ns,主频为3.68 GHz,性能比普通器件有很大改善,微波脉宽更宽,频谱更单一,而且稳定性很高。     

反馈调制型同轴虚阴极振荡器

 对反馈调制型同轴虚阴极振荡器进行了理论分析和数值模拟研究,结果表明:该器件通过增加同轴谐振腔结构并引入反馈可以对入射电子束形成明显的调制效果,从而使得器件具有高束波转化效率和频率单一稳定的特性;同时输出微波的频率被器件结构中的同轴谐振腔锁定,调节腔参数可以在一定范围内对输出微波频率进行调谐;在二极管电压约为600 kV,电子束功率26.2 GW条件下,可以得到平均功率3.6 GW的微波输出,转换效率达到13.7%,主频为5.5 GHz,模式为TM₀₂模。     

陡化前沿Marx发生器的设计与初步实验

设计了10级同轴结构的陡化前沿Marx发生器,实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。该系统采用3 nF低电感电容器作为储能电容,采用固体电阻作为充电电阻,通过各级短间隙气体火花开关迅速放电及级间紫外光耦合在50 Ω负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。在考虑开关电极分散电容、等效传输线效应及回路电感等因素基础上,利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型,并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。根据数值模拟结果设计加工了10级陡化前沿的Marx发生器实验装置,在较低充电电压下（7 kV与11 kV）,得到了初步实验结果,输出电压波形大致为方波,相对于传统Marx发生器输出前沿缓慢的三角波有较大改善,半高宽为40~50 ns,前沿时间为十几ns,幅值约为41 kV和57.5 kV,实验结果与模拟结果基本一致。     

TM01模虚阴极振荡器实验研究

在SPARK-04强流相对论电子束加速器上,对轴向反馈式虚阴极振荡器进行了实验研究,并采用远场测量方法对其激励的高功率微波辐射进行了测量,测得了微波辐射主模及辐射功率。结果表明：微波辐射主模为TM01模,辐射功率大于500 MW,微波转换效率大于3%,辐射频率约3.6 GHz,微波脉宽大于20 ns。同时,采用单反射面Vlasov天线,实现了该器件所激励高功率微波的定向传输。     

新型准光腔同轴虚阴极振荡器的研究

集合准光腔型虚阴极振荡器和同轴虚阴极振荡器的优点,设计了一种新型的准光腔同轴虚阴极振荡器。采用自由电磁振荡理论分析了3反射镜准光学谐振腔中的场分布,并用2.5维全电磁PIC程序对该器件进行了粒子模拟。在输入电压为600 kV,二极管电流为50 kA的条件下,得到主频为7.0 GHz,峰值功率超过6 GW的功率输出,其平均功率达2.5 GW,平均束波转换效率为8.3%。     

轴向反馈式虚阴极振荡器辐射微波模式的远场测定

采用远场测量法测量了虚阴极振荡器波导口的微波辐射方向图及虚阴极振荡器波导口处接上TM01-TE11模式转换器时的微波辐射方向图,接收喇叭口面与微波辐射口之间的距离为1.00 m,满足远场条件。结果表明：两种情况下的辐射主模式分别为TM01模式和TE11模式,从而证实了在实验装置轴对称的条件下,轴向虚阴极振荡器的微波辐射主模式确为理论所预期的TM2模式。对辐射模式的分析表明,TM01模式纯度约为90%,TE11模式的辐射功率为TM01模式的5%左右;TE21,TE01和TM11模式三者的总辐射功率较TM01模式低一个量级以上,微波辐射功率大于300 MW,辐射频率为4.6 GHz左右,微波脉宽大于40 ns。     

100kA微秒级气体火花开关电极材料熔蚀研究

电极材料是影响气体火花开关性能和寿命的关键因素之一。基于热传导方程分析了电弧作用下电极表层的温度场分布,得出了电极材料以及电弧属性参数对温度场分布的影响,并对黄铜、不锈钢、钨铜合金和高密度石墨4种电极材料进行了电极熔蚀实验,其质量亏损率分别为：黄铜6.39mg/C,不锈钢6.38mg/C, WCu合金4.19mg/C,高密度石墨1.19mg/C,与理论计算基本一致。     

弯曲圆盘换能器与镜像虚源的互辐射作用

建立了弯曲圆盘换能器镜像虚源等效模型,利用脉动球源互作用原理对弯曲圆盘与其镜像虚源的互辐射作用进行理论分析,给出了互辐射阻抗及系统谐振频率的数学表达。提出了虚源互作用的低频换能器设计思想,将刚性反射板引入弯曲圆盘换能器临近辐射面的声场中,通过理论分析、有限元模拟和样机实验研究了低频换能器谐振频率与主要结构参数之间的关系。结果表明,弯曲圆盘与镜像虚源间的互辐射作用可以有效降低换能器的谐振频率,当反射板直径与弯曲圆盘辐射面直径相当时,谐振频率可降低至其自身谐振频率的50%以下;当反射板直径为弯曲圆盘辐射面直径2倍时,谐振频率可降低至37%。     

微波调制型虚阴极振荡器的理论分析

理论分析并数值计算了具有外注入微波或自反馈微调制电子束的虚阴极振荡器特性,发现通过合理选择调制信号的参数,虚阴极振荡器的运行性能可以大大提高,理论计算结果与实验结果符合的较好。     

大平面二极管虚阴极振荡器的宽脉冲微波辐射

给出了产生宽脉冲微波辐射的大平面天鹅绒二极管虚阴极振荡器的结构和测试装置,测得了二极管中阴–阳极等离子体的闭合速率为30~43km/s,获得了微波辐射的最大脉宽为1.5μs,产生的微波峰值功率约为15MW,频率为0.5GHz,指出这种平面二极管型虚阴极振荡器在辐射脉宽,辐射频率和辐射功率三者之间存在着物理上的制约关系,认为同轴型虚阴极振荡器是突破这种制约关系的一个新途径。