双路输出超宽谱高功率微波驱动源Tesla变压器

为实现25 GW级双路输出超宽谱高功率微波驱动源的小型化,选择研制了一种与双筒脉冲形成线(Blumlein线)相配一体化的带有开路磁芯的Tesla变压器,作为初级脉冲功率源。进行了Tesla变压器的理论分析,利用简化的磁路模型研究了Tesla变压器初次级线圈电感等电参数的估算方法,给出了Tesla变压器磁芯截面的估算和磁芯制作方法。该Tesla变压器最大输出电压880 kV,充电时间约20 s,耦合系数约0.95,实验结果与理论设计相符。     

X波段高功率微波选模定向耦合器

高功率、长脉冲是高功率微波技术发展的趋势,提高微波器件的功率容量成为一项重要的任务,使用过模器件可以有效提高微波源的功率容量,然而却会带来微波源中同时存在多种模式的问题。为了识别一个X波段长脉冲过模高功率微波源的输出主模TM01模式,设计了一种在线选模定向耦合器,进行了理论分析和模拟优化设计。当频率范围为9.2~9.6 GHz时,模拟结果显示该选模耦合器对TM01模的耦合度为-54 dB,在400 MHz带宽内定向性大于35 dB,对TM02模的抑制度大于15 dB,功率容量可达到3 GW以上。     

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。     

中微子对宇宙大尺度结构的非线性效应

中微子的特性是现代物理学的重大问题之一。在粒子物理标准模型中有三类中微子,中微子振荡实验测量出不同中微子的质量平方差,表明中微子的质量总和不为零,并给出了中微子质量和的下限：0.05 eV。中微子质量对宇宙演化有着复杂的影响。在宇宙早期,中微子为相对论性粒子,作为辐射能量密度,从而改变了物质辐射的能量密度比。基于此效应,宇宙微波背景辐射（CMB）的观测给出了中微子质量总和的上限：0.2 eV。中微子在宇宙膨胀过程中逐渐变为非相对论性粒子,由辐射能量密度转为物质能量密度。由于在宇宙晚期（现在时刻）,中微子的速度弥散（热运动速度）仍明显高于冷暗物质和重子物质,其这种特有的热运动速度使其显著地不易受引力影响而坍缩成团,从而压低小尺度的总物质功率谱。基于此效应,当今和未来的星系巡天计划（如Euclid、LSST、DESI、PFS等）都计划给出更好的中微子质量总和的上限。论文“Differential neutrino condensation onto cosmicstructure”利用计算机数值模拟方法发现了中微子对宇宙大尺度结构的新效应,使得我们有望在未来的星系巡天中利用中微子和暗物质的密度差来限制中微子的质量。     

高功率微波行波阵列纵向宽角扫描特性

利用机械调节波导宽边尺寸可变化波导波长,从而实现变频波束扫描相同的效果,针对窄边辐射波导行波阵的波束扫描特性进行了分析,以实现宽角波束扫描为目标,着重分析了不同辐射缝隙间距下变化宽边所能得到的最大波束扫描范围。设计了通过变化宽边尺寸实现宽角扫描的X波段窄边辐射波导缝隙阵,设计波束扫描范围指向波导馈入端,避开阵列法向辐射(此方向辐射效率较低),实现了29°的连续波束扫描范围,在波束扫描范畴内增益下降小于3 dB,辐射效率大于62%;设计缝隙宽度3 mm, 波导长度约1 m(缝隙数40),单根波导缝隙天线可实现高功率微波功率容量70 MW。     

高功率微波对建筑物内计算机作用效果评估方法

提出了一种评估高功率微波对建筑物内计算机作用效果的方法。建立建筑物的电磁计算模型,利用时域有限差分法对高功率微波进入建筑物的过程进行数值模拟,求出计算机所在高度面上的时域最大场强,定义大于效应阈值区域的面积与建筑物总面积的比例为有效面积比,高功率微波对建筑物内计算机的作用比例即等于有效面积比。并开展实验对此方法的有效性进行验证,估计的计算机效应比例和实验结果相差20%以内。改变入射场强,得到计算机效应比例与入射场强的关系,与理论分析结果一致。     

普朗克卫星与宇宙微波背景辐射

目前对于宇宙起源的认识主要来自于热大爆炸宇宙理论。根据这一理论,在宇宙的极早期,物质以高温高密的等离子体形式存在,并且处于热平衡状态。由于大量自由电子会与光子频繁发生散射,使得光子的平均自由程很短,宇宙处于不透明的状态。     

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。     

毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性

针对黑障区高速飞行器测控通信研究需求,在激波管设备上开展了Ka波段毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性的实验研究,获得了不同电子密度和碰撞频率的等离子体中传输衰减特性实验数据。采用辅助差分方程的时域有限差分（ADE-FDTD）方法对实验进行了数值模拟,数值模拟结果和实验结果有很好的一致性。实验结果和数值模拟结果均表明：太赫兹波信号在相同的实验等离子体中传输衰减比毫米波信号小得多,具有更强的穿透等离子体能力;毫米波与太赫兹波信号在等离子体中传输衰减量随着等离子体电子密度的增加而增加,二者的差值也增加;太赫兹波能够作为解决高密度等离子体中电磁波传输的有效技术手段。     

基于长缝耦合的紧凑型TE31-TE11高功率微波模式变换器

提出了一种新型的TE31-TE11模式的紧凑型高功率微波模式转换器结构,在对比分析TE31和TE11两个模式的场分布特征相互关系基础上,通过在输入和输出圆波导组成的内外套筒结构和适当布置镜像对称分布的轴向耦合长缝,实现在小于1.2个波长的轴向长度内将相对论磁控管产生的L 波段TE31模式高功率微波转换为可定向辐射的圆波导TE11模式,采用全电磁波仿真结合Taguchi方法优化了模式转换器的几何参数,在工作频点获得的仿真模式转换效率为99%,效率高于95%的带宽达到10%,并对其工作于真空环境下的瞬态功率容量进行了仿真分析,理论的瞬态功率容量可达到3.4 GW。