向内发射同轴虚阴极振荡器实验研究

同轴型虚阴极振荡器是一种较有发展潜力的虚阴极振荡器,对西北核技术研究所近期的同轴型虚阴极振荡器实验的结果进行了介绍。实验结果表明,在不带有阳极反射板的同轴虚阴极振荡器中,产生微波的主模为TE11模,与常规的轴向发射虚阴极振荡器相比,其主频稳定且带宽较窄;在二极管电压300kV,电流18kA条件下,获得了功率约为200MW的高功率微波脉冲,效率约为3.6%,工作频率为2.7GHz。

同轴虚阴极振荡器实验研究

介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所关于同轴虚阴极振荡器实验的最新进展。实验结果表明,带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器比不带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器输出微波功率更高,频谱更纯。在二极管电压350 kV,电流23 kA条件下,输出微波峰值功率500 MW,能量转换效率约6.2%,工作频率为3.3 GHz。对实验结果进行了理论分析。

TM_(01)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。

用天线阵测量圆柱过模波导中虚阴极振荡器产生的高功率微波模式和功率

介绍在圆柱过模波导中虚阴极振荡器产生高功率微波实验中用天线阵测量微波模式的原理和方法。测量微波模式对研究高功率微波产生的机理具有重要意义。结合在圆柱过模波导壁上安装小电探针天线和小磁环天线测量微波模式的方法,用天线阵测量圆柱过模波导中开口辐射的电磁场空间分布。应用最小二乘法优化原理拟合高功率微波模式功率分布。用天线阵测量了圆柱过模波导中虚阴极振荡器产生高功率微波混合模式功率分布。

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TM01TE11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1.00m,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TM01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300MW,辐射频率为4.6GHz左右,微波脉宽大于40ns。

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1.4×10-3Pa。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2×10-2Pa。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。

TE_(11)模式增强型高效率同轴虚阴极振荡器

在阴阳极严格同轴的条件下,理论分析表明同轴虚阴极振荡器中TE11模式与TM01模式与径向入射电子束的谐振耦合具有近似的作用效率。3维PIC数值模拟结果显示,即使在圆对称结构下,输出波导中非角向均匀模式在输出功率中也占有较大成分。因此,同轴虚阴极振荡器中TE11模式与电子束之间的谐振作用对器件效率的影响不可忽略。通过引入结构的不对称性以及TE11模式反射器可以抑制电子束与TM01模式之间的谐振作用,从而起到抑制同轴虚阴极振荡器系统中模式竞争的作用,因此可以提高电子束到微波的功率转换效率。实验结果表明,采用阴阳极非均匀对称结构的TE11模式增强型同轴虚阴极振荡器可以大幅度提高效率,在优化参数条件下获得功率转换效率约7%,输出功率大于1.0 GW的实验结果,该功率约为近似严格同轴结构的2.5倍。该研究结果可以为高效率同轴虚阴极振荡器装置设计与实验结果分析提供基本理论依据以及参数确定基础。

新型径向三腔同轴虚阴极振荡器的模拟研究

提出了一种新型的径向三腔同轴虚阴极振荡器,并对其进行了理论分析和数值模拟。这种虚阴极振荡器采用径向三腔结构,通过改变束-波互作用区的电场分布来提高电子束与TM01模式的耦合效率,并通过采用准谐振腔的结构来进一步抑制模式竞争以获得较高的输出微波增益。同时采用能量同轴提取的方式进一步提高器件的功率和效率。粒子模拟结果表明,在二极管电压400 kV,束流50 kA的条件下,径向三腔同轴虚阴极振荡器在4.14 GHz处获得了平均功率约2.45 GW的微波输出,功率转换效率达到12%。输出微波模式纯度较高,频谱非常窄。

多腔虚阴极振荡器研究

提出了一种具有预调制腔、主谐振腔和提取腔组成的多腔轴向提取虚阴极振荡器结构。腔体特性分析表明其在工作频段可以获得更高的提取效率。粒子模拟显示该结构在电压700kV,电流23kA的条件下,可输出功率大于1.7GW,频率4.0GHz,功率效率大于10%的微波。初步的实验研究获得了辐射功率约700MW,频率约4.1GHz的微波输出。对实验结果的进一步分析表明,通过适当加大器件虚阴极振荡工作区微波管直径的方法可以有效改善器件的谐振性能,从而获得更好的工作性能。

向内发射同轴虚阴极振荡器理论分析与数值模拟

针对向内发射同轴虚阴极振荡器进行了1维理论分析,给出了电流电压关系的数值解,估算了同轴漂移区空间电荷限制流及虚阴极位置;同时使用MAFIA程序进行了全3维PIC数值模拟研究,通过调节阴极电子发射区与阳极反射板之间距离进行了一系列计算,得到了圆波导中各传输模式频谱及功率。结果表明,尽管使用圆周对称的同轴结构,输出模式中TE11和TM01仍占主导地位,两种模式共同存在,相互竞争。在最佳情况下,当二极管电压为250 kV,电流为20 kA时,得到了微波输出总功率最高为740 MW,功率效率超过10%,主频为3.18 GHz,同时含有较强TE11和TM01模式成分的微波输出。

轴向提取矩形波导TE_(10)模虚阴极振荡器

轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器可以不需要模式转换器或弯曲过渡波导而直接通过天线轴向辐射微波,从而使微波源及其辐射系统更加紧凑。粒子模拟结果表明,在400 keV,8.9 kA的束流条件下,轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器在2.12 GHz处可以获得功率为500 MW的高功率微波输出,功率效率为14%,频率、模式纯净。这些结果为相同波段同类装置的小型化提供了一条可能的技术途径。

新型虚阴极振荡器的研究

采用小信号理论,在考虑到透射、反射束电子不同作用下,分析了虚阴极振荡器产生微波的机制,获得了计算微波主频的方法,讨论了增强束波作用效率的方法,并提出一种新型结构的虚阴极振荡器。该振荡器的阳极后放置了一个谐振腔,谐振腔长度很小,虚阴极不能在其中形成,谐振腔受到反射电子束激励并建立强场,场对入射电子进行调制,同时采用同轴结构引出微波。利用2.5DPIC程序对新型的结构进行了数值模拟,验证了理论分析的正确性。在入射电子束电子能量为520keV和电子束流12.5kA的条件下,获得微波平均功率为1GW,频率为3.66GHz,平均束波转换效率为15.3%。

电子束激励TM模虚阴极振荡器的分析

从理论上对实心电子束和空心电子束激励轴向虚阴极振荡器产生高功率微波的情况进行了比较分析。通过数值计算比较了在相同的结构参数条件下输出微波功率的大小。分别讨论了在激励TM01和高阶TM02,TM03模式时电子束半径的优化值。用KARAT软件进行粒子模拟初步验证了数值计算的结果。数值计算和粒子模拟结果均表明:要在轴向虚阴极振荡器中有效地激励TM01主模式,应采用实心电子束;而空心电子束则在激励高阶TM0n模式时,可能更为有效。

准光腔型虚阴极振荡器的研究

介绍了准光腔型虚阴极振荡器。利用光学谐振腔标量波动理论,分析了准光学谐振腔的腔场特性;并采用二维半全电磁PIC程序对器件进行了粒子模拟,得到了主频为7.0GHz、平均功率超过1.3GW、以准高斯模为主的微波输出,束波作用平均转换效率接近10%。

束流调制型虚阴极振荡器的研究

运用改进的"环形输运"模型和粒子模拟方法研究了调制型虚阴极振荡器中束流调制参数变化对虚阴极振荡器特性的影响。研究结果表明:束流的调制对虚阴极振荡器的运行性能有显著的影响,对电子束流进行适当的调制可以显著提高器件的束波转换效率。研究结果为设计高性能的虚阴极振荡器提供了基础。

二极管区对虚阴极振荡器影响的数值模拟

将FDTD与PIC方法相结合 ,编制了二维、全电磁、相对论性的粒子模拟程序 ,对电子直接从阴极表面发射的虚阴极振荡器的物理过程进行了数值模拟。主要对电子从虚阴极返回二极管区并重新注入漂移区以及阴阳极间电压的影响进行了初步探讨。

虚阴极振荡器中微波频率的研究

在虚阴极振荡器的实验中，同时得到了几百兆瓦５．１７ＧＨｚ和几兆瓦７．７４ＧＨｚ的微波输出。根据虚阴极振荡器的单电荷层模型可知，主频５．１７ＧＨｚ的微波由虚阴极自身振荡产生；７．７４ＧＨｚ的微波由虚阴极自身振荡与虚阴极振荡或电子往返振荡产生的调制束流相互作用产生。

一种高效率和高功率的双同轴虚阴极振荡器

提出了一种双同轴虚阴极振荡器,并对其进行了理论分析和数值模拟。这种振荡器采用了一种新的能量提取结构,将波束相互作用和能量提取分开进行。提取区内轴的左端面可以反射微波,为波束相互作用提供反馈机制;同时还可以吸收在下游漂移的电子,这有利于输出功率和效率的提高。在器件的入口处注入峰值电压为500kV的梯形脉冲时,模拟得到了瞬时峰值功率大于2.5GW,周期平均的峰值功率约1.2GW的微波输出,频率为2.175GHz,能量提取效率达到11%。输出的微波保持了传统同轴虚阴极振荡器的优点,模式纯度高、谱宽非常窄。

带慢波结构的虚阴极振荡器

为探索新型高效率微波器件,受其它带慢波结构器件的启发,设计了由微波预调制腔、慢波结构腔和微波提取腔组成的新型虚阴极振荡器。研究表明,由于慢波结构的存在,束-波转换效率高于普通虚阴极振荡器,在电压550kV、电流16kA下,可以获得频率为1.95GHz,1.4GW的周期平均功率,16%的转换效率。随后在加速器平台进行了初步的实验研究,获得了辐射功率约600MW,频率约1.94GHz的微波输出,频率单一,可实现锁频。分析知,由于阴极制作过程导致电子发射不均匀是影响效率的主要原因。实验所测得的束-波转换效率达5%,表明该结构的高功率微波器件可以提高束波转换效率。

无引导磁场同轴谐振腔横向虚阴极振荡器

本文提出了无引导磁场同轴谐振腔横向虚阴极振荡器的新物理模型，用ＰＩＣ模拟方法研究了它的特点，定义了产生稳定振荡的起振电流新概念，得到了振荡频率与注入电流密度的关系，对比分析了电子注从内导体注入与从外导体注入的情况，首次研究了虚阴极振荡器电子注能量离散的影响．结果表明，这种新物理模型具有重要的应用前景．