低阻无箔渡越辐射振荡器励磁系统

为开展L波段低阻无箔渡越辐射高功率微波发生器的单次实验,设计了一种满足需要的电容器储能脉冲磁场系统。系统储能电容5.4mF,设计的螺线管线圈长45cm,其理论电感和电阻值分别为42mH和0.66Ω。基于该设计,绕制了磁场线圈并搭建了实验平台,线圈实际电感和电阻值分别为40 mH和0.61Ω。目击靶实验进一步证实了励磁系统产生的导引磁场能够较好地约束电子束。

一种新型结构低阻抗渡越辐射振荡器

设计了一种不加栅网结构的低阻抗渡越辐射振荡器器件,器件阻抗为20Ω左右,采用同轴输出,具有所需导引磁场小、起振时间较快等优点,可望工作在重频和长脉冲状态。PIC粒子模拟表明,在输入电压和电流分别为550 kV和27.6 kA、约束磁场为0.8 T的条件下,在S波段3.175 GHz得到了平均功率大约4.0 GW的微波输出,束-波转换效率为26.4%。

C波段长脉冲相对论返波管设计与实验

从抑制强场击穿的角度出发,结合传统理论和相关粒子模拟方法,设计并优化了工作于C波段的长脉冲相对论返波管。模拟中,利用强流相对论电子束的空间电荷场效应,将3GW功率水平下电动力学结构表面的最大发射电场控制在700kV/cm以下。利用实验室700L脉冲功率驱动源平台开展了相关实验验证,实验结果表明,通过合理的结构设计,在功率3GW级水平下,C波段相对论返波管中的脉冲缩短问题能够得到有效抑制。实验中,当工作电压760kV、电流为9.0kA时,在4.23GHz频点处获得的输出微波功率为2.8GW,微波脉冲半高宽约101ns,功率转换效率约41%,实验结果与模拟结果吻合较好。

一种高功率容量HPM耦合测量装置

设计了一种具有高功率容量的高功率微波(high power microwave,HPM)耦合测量装置。该装置使用截止波导对HPM信号取样,并经过同轴探针将取样信号耦合到同轴电缆中。截止波导可以限制进入耦合单元的射频功率,同时,截止波导和传输高功率微波的主波导连接处允许大的倒角,因此,该耦合装置能够保证较高的功率容量。此外,通过调节截止波导中探针的长度,可以实现不同的耦合度,容易满足不同功率水平HPM测量的应用需求。与传统的耦合器相比,所设计的耦合器结构简单且功率容量高,其可行性已经得到了HPM实验的证实。

低阻无箔渡越辐射振荡器的初步实验

为实现低阻无箔运行,进一步增加现有高功率微波源输出功率和脉宽,给出了一种基于渡越辐射的低阻无箔高功率微波源的初步实验结果。主要对比分析了在铜介质片阴极和天鹅绒阴极以及不锈钢收集极和石墨收集极条件下器件的运行状况,分析了影响器件正常工作的可能原因,得出了在现有条件下天鹅绒阴极和石墨收集极最有利于器件运行的结论。初步的实验结果表明:降低强流相对论电子束的能量密度、选择更加合理的电子束收集方式,是实现该器件正常运行的重要手段。

玉米群体生长与光截获的动态模拟及应用

【目的】群体光截获对玉米生长发育及产量形成均有重要的影响,合理的群体结构直接决定着玉米产量的增加与稳定。群体结构的测量较为繁琐,费时费力,且不能与当地太阳辐射情况充分结合,从而无法对群体结构和功能做出整体的评价。因此,有必要构建合理、简便的玉米群体光截获动态模型,结合群体不同生育期的形态指标与光辐射情况,对群体结构做出快速而精准的评价,为不同区域玉米品种选择、播种密度确定、以及后期管理等提供参考意见。【方法】将玉米群体结构模型与光分布模型相结合,建立简易可靠的群体光截获动态模型。该模型可模拟玉米整个生育期群体光截获的动态变化,并对不同生育期群体结构做出相应的评价。同时,在中国农业大学吴桥实验站开展了两个田间试验,对模型的准确性和应用功能进行了验证。试验均为三因素,分别为品种、密度和氮肥处理,其中试验一:设置2个品种(郑单958,丹玉405),3个密度(4.5×10~4,6.0×10~4,7.5×10~4株/hm^2)和3个氮肥处理(不施氮;施氮180 kg·hm^(-2),于播前、大喇叭口期和吐丝期以1:4:1的比例施入;施氮270 kg·hm^(-2),于播前、大喇叭口期和吐丝期以4:4:1的比例施入);试验二:设置1个品种(郑单958)、1个密度(8.25×10~4株/hm^2)和6个播期(4月20日,5月5日与20日,6月4日与18日,7月3日)。在两个试验中,对玉米不同生育期的群体形态指标、干物重、及产量均进行了测定。【结果】吐丝期和灌浆中期的群体光截获率模拟值与测量值的相关系数分别为0.91和0.85,均达到显著相关。运用该模型对两个田间试验数据的模拟结果显示,光截获率(量)随灌浆期的推进呈先增后减的趋势,吐丝后50 d光截获衰减加速。在试验地区,密度超过6×104株/hm^2时,光截获随密度变化不大;播期为6月中上旬时形成的玉米群体具有较为理想的光截获能力,结构功能潜力较大。产量与灌浆期有效光辐射呈正相关,但相关性随生育期推进逐渐减弱,表明灌浆后期产量的增加对群体光截获的需求减弱。在玉米生长发育后期物质转移对产量的贡献可能发挥着更加重要的作用。产量与群体光截获相关性的动态变化与品种有关,紧凑株型优于平展型。【结论】选择株型紧凑且生育后期群体结构维持较好的玉米品种,通过增加密度可进一步增加夏玉米产量。调整播期增强灌浆初期光合效率也是有效的增产方法之一。

圆波导定向耦合器在高功率微波测量中的应用

介绍了大功率容量定向耦合器的设计、标定、测试与应用情况.以X波段圆波导定向耦合器为例,在9.2～10.2 GHz的频带范围内,基于小孔耦合理论优化设计的结构,其耦合度可以稳定在（55±2）dB以内,隔离度大于80 dB.在此基础上,设计加工了X波段圆波导定向耦合器并进行了标定测试,测试与仿真结果吻合较好,高功率微波实验证实了其具有较高功率容量,能够满足实验需求.该类圆波导定向耦合器已广泛应用于实验室高功率微波源的在线测量装置中.

吹气对氮气火花隙开关重复频率运行性能的影响

基于紧凑重复频率Tesla变压器实验平台，运用设计加工的紧凑型内部气流循环式火花隙开关，对吹气提高火花隙开关重复频率运行性能进行系统的实验研究，结果表明：重复频率小于50Hz时，火花隙开关击穿电压不稳定度（RMS）小于5％，不需要吹气；在给定吹气速度下，火花隙开关重复频率运行存在临界重复频率；火花隙开关重复频率运行存在最佳吹气速度，且最佳吹气速度与重复频率之间满足线性关系，并可由实验确定；在优化吹气速度条件下，当气压处于0．7～1．5MPa范围时，该火花隙开关击穿电压不稳定度（RMS）小于3％；在2．0MPa的压强范围内，该吹气式火花隙开关可稳定工作至重复频率300Hz，击穿电压400kV。

紧凑重频Tesla变压器型调制器的实验研究

采用所设计的紧凑Tesla变压器型重频调制器,对Tesla变压器子系统和调制器系统在单脉冲和重频两种模式下分别进行了实验研究,并对实验结果进行了分析讨论,结果表明:单脉冲和重频(50 Hz)两种模式下,Tesla变压器给形成线充电的峰值电压分别可达380 kV和300 kV,且变压器充电稳定性能高;通过调整气体火花隙主开关的电极间距和工作气压,在调制器单脉冲运行中得到最高输出电压330 kV,脉宽7 ns,上升沿2 ns;在重复频率不超过40 Hz、调制器重频运行小于或等于300个脉冲数时,不需施加冷却系统和吹气系统,大大减小装置的体积和质量;在300个脉冲数以内,随着脉冲数目增加,调制器输出电压的平均值下降,输出电压的不稳定度变小,输出电压下降度增加,并在脉冲数达到50个以上时趋于稳定;随着重复频率增高,调制器输出电压的不稳定度增加,重复频率上升到40 Hz以上时,输出电压的平均值下降较大;调制器重复频率40 Hz下稳定运行输出300个脉冲,输出电压310 kV,电压不稳定度为6%,电压下降度为6%。

紧凑型Tesla变压器的参数测量

对设计加工研制的Tesla变压器,根据Smith建议的测量方法,解决了对紧凑Tesla变压器耦合系数进行比较准确地测量的问题,实测耦合系数高达0.9,并对耦合系数稍低于理论设计值的原因进行了探讨,同时分析给出了物理原因。此外,根据Tesla变压器电路在初次级初、次级短路和低电压充电情形下的实测电压波形,估算出Tesla变压器电路各参数数值。这些数值与理论计算值吻合,并能满足实际高压充电的要求。

L波段相对论返波振荡器初步实验研究

设计了一个紧凑型L波段相对论返波振荡器(RBWO),利用Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束-波作用的物理过程。模拟结果表明:在二极管电压700 kV、电子束流10 kA、导引磁场为1.0 T时,能实现L波段2.23 GW高功率微波输出,平均效率约为31.8%。为验证模拟结果,在高阻加速器平台上进行了初步实验:当二极管电压为703 kV、电流10.6 kA、导引磁场为0.8 T时,实验获得了峰值功率1.05 GW、频率1.61 GHz、脉宽38 ns的高功率微波输出,其功率效率为14.4%。

抑制表面场增强提高相对论返波管功率容量

相对论返波管(RBWO)高频结构表面微凸起结构导致的表面场致电子发射会加速或加剧射频击穿过程,引起RBWO功率容量下降。为提高现有RBWO的功率容量,给出了RBWO高频结构表面场增强的抑制方法,对一种X波段RBWO表面进行了精密工艺处理后,将表面粗糙度降低至未经表面精密处理时的1/40以下,有效降低了高频结构表面场增强因子,减小了结构表面场致发射电子的能力。进一步开展的高功率微波实验研究表明,抑制表面场增强后X波段RBWO的功率容量提高了25%。

改进型低阻类膜片加载同轴渡越时间振荡器

采用2.5维粒子模拟软件对改进型低阻类膜片加载同轴渡越时间振荡器进行了研究。研究结果表明:提取腔工作于类π模场时,具有较高的束波互作用效率;引入渐变型输出波导,提高了提取腔内微波向外耦合输出的能力;通过加载感性支撑杆,一方面对金属膜片起支撑固定作用,另一方面可以及时将膜片上的感应电荷导流至接地外筒、从而降低间隙附近的空间电荷效应,以增加可提取的束动能。经优化设计,该结构在二极管电压为530kV,二极管电流为12.9kA、外加导引磁场为0.5T的条件下,输出微波功率2.74GW,微波频率7.76GHz,束波功率转换效率达40%。

螺旋波纹波导被动式脉冲压缩模拟研究

研究了一种基于螺旋波纹波导特殊色散特性对输入微波脉冲进行压缩的新方法。利用3维全电磁粒子模拟软件对X波段螺旋波纹波导进行了建模,模拟分析了该波导的特殊色散特性及提高功率增益的方法,并将已有模型脉冲压缩增益提高了6.65。模拟结果表明:通过优化输入微波的频率调制特性,可以获得更加符合被动式脉冲压缩所需要的调频形式;采用改进后的椭圆波导,可以得到更有利于被动式脉冲压缩的本征模式;通过延长渐变段长度,可以减少规则段和渐变段之间不均匀性造成的微波反射,从而实现更高的脉冲压缩增益。

行波提取型同轴渡越时间振荡器模拟

提出了一种行波提取型同轴渡越时间振荡器,器件的提取腔采用了类膜片加载的扩展互作用腔结构,具有束波作用效率高,电子束空间电势能低等优点。提取腔的电场结构为3π/2模,与传统的类π模结构相比,提高了微波群速度,有利于微波能量的提取。通过引入前置反射腔,提高了调制腔的品质因数,显著降低了起振时间。利用数值模拟软件对所设计的器件进行了模拟和优化,在二极管电压530kV,二极管电流12.8kA,外加导引磁场0.7T的条件下,得到了2.41GW的输出功率,微波频率7.76GHz,束波功率转换效率达到35.5%。

一种Ku波段高效率低磁场同轴相对论返波管

设计了一种工作在Ku波段的低磁场同轴相对论返波管。器件工作在同轴TM01近π模式,采用两段式慢波结构构型,在前后段慢波结构中分别主要进行电子束调制与能量提取,以实现高效率工作。通过设计非对称反射腔,引入电子束预调制,进一步加深电子束调制深度,提高了束波互作用效率。通过调节慢波结构中间漂移段长度,进一步优化器件内部场分布,提取段慢波结构处轴向电场强度得到显著增强,器件工作效率可提升至35%。最终,当磁场强度0.6、二极管电压490V、二极管电流7.5A时,获得1.27GW微波输出,效率约35%,微波频率为14.7GHz。

高功率微波传输通道击穿诊断研究

高功率微波(HPM)器件在强电磁场作用下的击穿是限制HPM系统功率容量的主要因素之一,是HPM技术进步的瓶颈和国际性的技术挑战。本文开展了纳秒脉冲宽度、吉瓦高功率微波传输通道内击穿发光诊断实验,通过纳秒级响应的四分幅ICCD相机和光电倍增管研究了等离子体可见光和X射线发射的时间及空间发展规律。实验发现HPM通道在传输纳秒微波脉冲时有大量可见光,可能的原因是HPM源的乏电子束轰击收集极的金属表面轫致辐射连续谱的光子在波导内多次反射的结果。通过光电倍增管探测了微波源X射线幅度分布,确认了收集极存在较高能量X射线的结果。

HPM同轴TM_(01)~◎-波导TM_(01)~○模式转换器的设计

为有效辐射同轴高功率微波产生器的微波能量,利用径向线结构设计了一种将同轴输出结构中的微波模式TM◎01转化为圆波导中的微波模式TM○01的模式转换器,它能以较短的轴向长度实现较高的模式转换效率,满足紧凑化应用需求,且易于加工。数值模拟结果表明:该模式转换器在14.77GHz处的转换效率大于99%,在超过300 MHz的频率带宽内的转换效率大于98%。

高功率微波源中强场击穿机理探讨

为了研究高功率微波源中强场击穿的"阴极"和"阳极"效应,基于无箔二极管,设计了相应的实验方案。实验中,在金属表面最大电场强度约为1.2 MV·cm^(-1)、导引磁场约为2.5T的条件下,通过对上百次脉冲实验后,"阴极"和"阳极"表面形貌的对比分析,发现对于数十纳秒的短脉冲而言,场致爆炸电子发射不会引起明显的结构损伤,在强外加引导磁场约束下,强场致发射电子轰击金属结构表面的"阳极效应"是引起结构破坏的直接原因。

基于螺旋波纹波导高增益高效率被动式压缩方法

对一种改进型螺旋波纹波导实现高增益高效率被动式脉冲压缩进行了研究,并利用微扰理论求解出了该波导的损耗特性。结合波导的色散和损耗特性,设计了输入微波的频率调制形式。还对改进型螺旋波纹波导进行了模拟研究,在输入脉冲宽度为66ns的条件下,得到了半高宽为1.9ns的压缩脉冲,增益为21.2倍,脉冲宽度比为34.7倍,压缩效率为61%,这表明改进型螺旋波纹波导应用于被动式脉冲压缩具有高效率高增益特性。