同轴型相对论返波管的粒子模拟研究

本文提出和设计了一种X波段大直径同轴相对论返波管，用时域有限差分法数值计算了器件慢波结构中TW模式的色散关系，耦合阻抗．运用粒子模拟程序仿真了器件中注波互作用的非线性物理过程，预见出器件输出功率、效率、工作频率，并对器件功率与慢波结构尺寸，电子注束流参数。

X波段高效双频同轴相对论返波管粒子模拟

提出了一种能在X波段实现稳定双频输出的带有谐振反射器的高效率同轴相对论返波振荡器,并使用2.5维全电磁粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示:在电子束电压520kV、电流8.5kA、轴向引导磁场2.35T的条件下,器件实现了9.41GHz和10.29GHz的稳定双频输出,平均输出功率为1.35GW,波束互作用效率为30.5%。此外,双频频谱及双频中较小的频率随着漂移段的变化而准周期地变化,实现了带宽约400MHz的频率捷变输出。

同轴相对论返波管中波束作用过程

根据同轴相对论返波管的特点建立了物理模型,采用时域有限差分法研究了同轴相对论返波管中波束作用过程。研究表明:同轴相对论返波管中波束作用的输出效率与两端反射系数密切相关,而且其内部场分布特点对于提高输出效率非常有利。经过优化设计,利用500 keV,4.0 kA电子束流,微波起振时间为7 ns,输出效率大于38%,与以往数值模拟和实验结果符合较好。根据计算结果进一步分析得到,与空心相对论返波管相比,同轴相对论返波管中空间电荷效应的影响较小。

同轴波纹返波管色散特性研究及粒子模拟

计算了同轴波纹慢波结构的色散特性,分析了波纹周期长度、波纹幅值大小以及同轴内导体半径对慢波结构色散特性的影响。研究表明内导体的存在使系统截止频率升高,系统尺寸可比普通波纹波导慢波系统更大,并且可以采用大半径电子注并工作在低磁场状态。运用Magic软件对同轴波纹返波管进行了数值模拟,发现同轴波导内场分布有利于注波互作用,在数值模拟基础上设计出高效率、低磁场的非均匀同轴波纹返波管,互作用效率达60%,聚束磁场小于1 T。

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%。

同轴引出电子束相对论返波振荡器的粒子模拟

设计了一种L波段同轴引出电子束相对论返波振荡器,采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程,分析了二极管电压和导引磁场对产生微波频率和束-波转换效率的影响。模拟结果表明:该器件在小型化,中等磁场的条件下具有较高的束-波作用效率。在电子束能量700 keV,电子束流10 kA,导引磁场为1.0 T时,器件在频率1.62 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.2 GW,平均效率约为30%,器件最大径向半径仅为5.0 cm。

紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的粒子模拟

设计了紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器,通过粒子模拟研究了L波段同轴相对论返波振荡器相互作用的物理过程,并对器件的电磁结构进行了优化和改进。分析表明,采用同轴慢波结构可以在较低的外加磁场下实现L波段返波振荡器的微波输出,同时可以大大减小微波器件的径向尺寸。这是因为同轴慢波结构的TM01模式有类似于TEM模的性质,没有截止频率,但纵向电场不为零,电子束能够与它发生强相互作用过程。粒子模拟优化结果表明,在器件半径仅为4.0 cm,电子束能量240 keV,电子束流1.8 kA,导引磁场仅为0.75 T时,返波振荡器可以在频率1.60 GHz处获得较大功率的微波输出,平均峰值功率达140 MW,平均峰值功率效率约为32%。

单电子束双波段同轴相对论返波管粒子模拟

设计了一种能在C波段和X波段实现稳定双频输出的带有非对称谐振反射腔的单电子束同轴相对论返波振荡器。采用耦合阻抗跃变型慢波结构,使用粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示:轴向电场在系统中的分布得到改进,电子束的能散得到改善。在电子束电压511kV,电流8.95kA,引导磁场0.73T的条件下,双频器件实现了8.09GHz和9.91GHz的双波段频率稳定输出,平均功率为1.0GW,波束互作用效率为21.9%,效率高于空心双波段返波管及其他双波段器件。器件辐射功率的拍频为1.82GHz,拍波更为明显和稳定。模拟研究中同时发现,随着慢波结构之间漂移段的变化,双频频率都呈现一种准周期的变化。

高功率高增益大直径相对论返波管

对大直径同轴相对论返波管采用双板波纹波导模型结合电子运动的罗伦兹力方程、电荷连续性方程和电磁波麦克斯韦方程建立了系统的线性流体理论 .使用该理论详细地研究了器件的各系统参数对束波相互作用 ,特别是对微波指数增长率的影响 .给出了 3cm波段的大直径同轴相对论返波管实验装置的系统参数 .

内导体对相对论返波振荡器工作波段选择的影响

设计了一种紧凑型、GW级同轴引出电子束相对论返波振荡器,利用KARAT2.5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:当器件中使用内导体,在电子束能量700keV,电子束流11kA,导引磁场为1.0T时,能实现L波段2.66GW高功率微波输出,平均效率约为34%;去掉内导体时,能实现S波段1.88GW单频微波输出,平均效率约为24%。同一个器件,仅通过装卸内导体就可以选择在两个波段实现GW级、高效微波输出,这对于高功率微波器件的设计有一定的参考意义。

基于JASMIN并行框架的2.5维粒子模拟程序NEPTUNE2D的研制

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。

同轴结构多频相对论返波管的粒子模拟

提出由双电子注同轴相对论返波管产生双频的设想,采用2.5维相对论全电磁PIC粒子模拟软件,进行了粒子模拟研究。结果表明,在环形相对论电子注电压625 kV,电流24 kA,引导磁场0.772 T的条件下,器件得到了稳定的高功率双频微波输出。其双频微波频率分别为11.5,12.2 GHz,两频率相差0.7 GHz,平均功率约为1.15 GW,平均功率效率7.7%。另外,还通过改变周期数,进一步获得了三频的微波输出,并对结果进行了讨论。

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。

内导体半径对同轴相对论返波振荡器工作频率的影响

利用电磁软件Superfish求解了同轴慢波结构中准TEM模对应的π模的电场矢量分布,分析了内导体半径对谐振频率的影响。采用Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序设计了一个L波段相对论返波振荡器,研究了内导体半径参数改变对器件工作频率的影响。通过使用半径为0.50,0.75,1.00 cm的内导体,实验测得微波中心频率分别为1.64,1.63,1.61 GHz,变化趋势与理论分析结果一致。实验测得频率比粒子模拟结果仅高0.01 GHz,两者吻合较好。

梯形波纹同轴慢波结构色散特性及其纵向谐振特性(英文)

利用傅里叶级数展开,给出了一种求解梯形慢波结构表达式的方法。通过数值模拟,研究了级数展开次数对求解精度的影响。当级数为10阶时,线型拟合而成的结构与原结构吻合较好。利用此表达式数值求解了色散方程,得到两个最低阶模quasi-TEM模和A模。分析了为实现电子束与quasi-TEM模的-1次空间谐波相互作用慢波结构参数所需满足的条件,并指出利用此条件下纵向电场具有表面波的特点可实现横向模式选择。采用S参数理论研究有限长慢波结构的纵向谐振特性,提出在同轴慢波器件中加入同轴引出结构可减少所需慢波结构周期数,这不但使器件结构更为紧凑,还可避免纵模竞争从而提高器件效率、稳定产生微波频率。在此基础上设计了一种L波段同轴相对论返波振荡器,采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。模拟结果表明,该器件具有径向尺寸小、束-波作用效率高的特点。在电子束能量700keV、电子束流11.5 kA的条件下,器件在频率1.6 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.60 GW,平均效率约为32.3%。

1.6GHz同轴相对论返波振荡器耦合阻抗(英文)

研究了计算同轴正弦型慢波结构耦合阻抗的方法,以及慢波结构参数变化引起的共振点变化对各次空间谐波振幅的影响。得到了1.6GHz同轴相对论返波振荡器耦合阻抗随其慢波结构参数的变化规律,并与相应的效率模拟结果进行了比较。结果表明在近线性范围内耦合阻抗结果和模拟结果符合得很好。并用表面波理论对两种结果之间存在的误差进行了分析。

高效率双波段同轴相对论返波管粒子模拟研究

提出了一种能在C波段和X波段实现稳定双频输出的带有谐振反射腔的单电子束同轴相对论返波振荡器,并使用2.5维全电磁粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示:在电子束电压510kV,电流9.03kA,引导磁场0.73 T的条件下,双频器件实现了8.1GHz和9.9GHz的双波段频率稳定输出,平均功率为0.95GW,波束互作用效率为20.6%,效率高于空心双波段返波管以及瓷绝缘线双频振荡器。

低频段紧凑型同轴相对论返波振荡器

基于P波段新型三周期慢波结构同轴相对论返波振荡器设计思想,设计了一个L波段同轴相对论返波振荡器。粒子模拟表明,在二极管电压591kV、电流8.2kA、导引磁场0.8T时,获得了1.50GW的微波输出,频率为1.64GHz,效率达31%,器件慢波结构尺寸仅为96mm×207mm。分析了该器件实际高频结构的电动力学特性,重点研究了纵向谐振模式、品质因数等特点,并结合P波段的研究结果,得到了该类器件的相关设计指标:慢波结构长度约为一个波长,波纹周期约5/13波长,外波纹深度约1/10波长,内波纹深度约1/30波长,电子束半径约0.7倍外波纹平均半径,器件的纵向工作模式为0.8π模,对应的Q值约16。

紧凑型P波段相对论返波振荡器的粒子模拟

设计了一种紧凑型P波段相对论返波振荡器,其电动力学结构是由同轴慢波结构和同轴引出结构组成的。同轴慢波结构缩小了器件的径向尺寸;同轴引出结构缩短了器件的轴向长度,且提高了束波作用效率。通过粒子模拟研究了器件内束波作用的物理过程,模拟结果表明:器件具有结构紧凑、束波作用效率高的特点。在二极管电压700 kV,电流7 kA,导引磁场1.5 T时,器件在频率833 MHz处获得较高的微波输出,饱和后输出微波的平均功率达1.58 GW,效率约为32%,器件电磁结构尺寸仅为φ108 mm×856 mm。

中等能量P波段相对论返波振荡器的理论设计与粒子模拟

提出了一种新型的中等能量P波段相对论返波振荡器,该器件将慢波结构由低波段普遍采用的同轴外波纹结构变为同轴双波纹结构,使得径向束-波作用空间扩大了2倍,一定程度上增加了器件的功率容量;另外同轴双波纹结构还较大提高了器件的时间增长率,从而有效地减小了微波输出饱和时间。经优化设计,该结构在二极管电压300kV、电流3kA、导引磁场1.0T的情况下,获得267MW的微波输出,效率达30%,频率为867MHz。