向内发射磁绝缘振荡器

提出了一种向内发射磁绝缘振荡器,并给出了微波轴向提取的方法。这种新型结构通过外置阴极、内置阳极,使参与束波作用的轮辐电流通过阳极回流提供了自磁绝缘的角向磁场,有提高器件效率的可能。而外置阴极使阴极的发射面积增大,发射电流密度减小,有利于延长阴极寿命。通过粒子模拟,得到了几何参数与磁绝缘线振荡器输出功率的关系。在电压890 kV,电流56.1 kA下,输出功率为3.6 GW,频率为8.2GHz。

磁绝缘线振荡器中空间电荷的辐射

研究了磁绝缘线振荡器中空间电荷的辐射。结果包括 :导出了线性区的增益公式 ,所得到的增益函数相对于同步失配是对称的 ;导出了饱和区的辐射场公式 ,这个公式表明 ,饱和辐射功率近似地与谐波电流的平方成正比。

L波段硬管磁绝缘线振荡器的研制

对L波段磁绝缘线振荡器(MILO)的二极管进行了研究,优化了器件的设计,以及辐射天线一体化的设计,研制出了L波段硬管MILO。硬管MILO的实验结果是:在电压为450 kV、电流为35 kA的条件下,L波段硬管MILO的输出微波频率为1.22 GHz,功率大于1.5 GW,微波脉宽半高宽约20 ns,功率效率约10%;硬管MILO的保真空时间超过了5 h。

多频磁绝缘线振荡器的粒子模拟

在双频磁绝缘线振荡器的基础上,提出了多频磁绝缘线振荡器的设想,并利用电磁模拟软件,通过对磁绝缘线振荡器的高频结构进行优化,设计出了多频磁绝缘线振荡器。给出了能够同时稳定输出微波频率数目为1,2,3,4,5的多频磁绝缘线振荡器的粒子模拟结果。结果表明:多频磁绝缘线振荡器可以产生多个频率的高功率微波信号,其功率效率较单频磁绝缘线振荡器的功率效率有明显降低。

C波段磁绝缘线振荡器的理论设计与实验

通过理论分析与计算,设计加工了一个C波段磁绝缘线振荡器(MILO),并进行了实验研究.在二极管电压为437～464 kV、二极管电流为36～39 kA的条件下,从实验上获得了功率为1.60～1.68 GW、频率为3.60～3.66 GHz、脉宽为33～38 ns的TEM模高功率微波辐射,功率转换效率大于9%.

L波段双频磁绝缘线振荡器的设计与粒子模拟

提出了利用角向分区来产生双频高功率微波的思想,并根据常规磁绝缘线振荡器的互作用主要在轴向而与角向无关的物理机制,通过在常规磁绝缘线振荡器内设置谐振腔深度的角向分区,建立了L波段双频磁绝缘线振荡器的模型,并利用电磁模拟软件,优化设计了L波段双频磁绝缘线振荡器。粒子模拟的结果为:在电子束电压为530kV,电流为45.5kA的条件下,得到了稳定的双频高功率微波输出,其微波频率分别为1.28GHz和1.50GHz,周期平均功率约为2.65GW,功率效率约为11%,两个频率的频谱幅度相差约0.4dB。

紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的实验研究

设计加工了一个紧凑型L波段磁绝缘线振荡器(MILO)并进行了实验研究。该MILO具有一个新型收集极和一个新型模式转换器,射频扼流腔减为一个,同时将阴极杆设计成变阻抗结构,该MILO由一台自建的600kV,8Ω,100ns加速器SPARK 01驱动。在二极管电压为515～538kV,二极管电流为58～61kA的条件下,该MILO在实验中获得了1.76～1.78GHz,2.2～2.5GW的TM01模高功率微波辐射,功率转换效率为7.3%～7.9%。在30ns的有效电压脉宽下,实验中测得微波脉冲半高宽为15ns。实验结果与模拟结果符合得较好。

磁绝缘线振荡器的自动优化设计

为克服全电磁粒子模拟(PIC)程序不利于优化设计的弱点,提高高功率微波器件的优化设计水平,将遗传算法与全电磁粒子模拟算法有机融合,研制出二维全电磁粒子模拟并行优化程序。据此对高功率微波源器件——两个波段的磁绝缘线振荡器(MILO):C-MILO和L-MILO进行优化设计。在输入功率不变的条件下,原C-MILO效率为10.8%,经优化后效率为15.4%;原L-MILO效率为12.6%,经优化后效率为17.7%。由此得出,两类MILO模型经优化后在输入功率基本不变的情况下输出功率和效率都有很大程度的提高,且模型几何参数合理,物理图像正确。

S波段锥形磁绝缘线振荡器粒子模拟和实验研究

提出了一种由弱变锥形主工作区和强变锥形提取区组成的锥形磁绝缘线振荡器结构。该结构主工作区采用弱变结构,在保持频率基本不变的情况下,可有效增加群速度,利于微波提取。模拟结果表明:该结构可以在二极管电压500 kV、电流32 kA的条件下稳定输出平均功率2.5 GW、频率为2.65 GHz的微波;实验上也获得了GW级、频率为2.69 GHz的微波输出。

磁绝缘线振荡器谐振腔的高频特性研究

利用数值方法计算了磁绝缘线振荡器(MILO)主慢波结构谐振腔和扼流腔的谐振频率和场分布.结果表明:当主慢波结构腔内半径为4.6 cm,扼流腔内半径为4.2 cm,阴极半径为3 cm时,MILO工作在3.6～4.4 GHz频率范围,扼流片可以阻止微波功率向脉冲功率源泄漏,这有利于提高器件微波输出的功率;4.5～4.9 GHz频段为慢波结构的阻带,微波在该频段截止.计算了C波段MILO开放腔的谐振频率,当模式分别为3π/8,π/2,5π/8,3π/4时,其谐振频率分别为3.18,3.76,4.00,4.11 GHz;并通过实验测出了开放腔的谐振频率,其相应的值分别为3.80,3.94,4.08.4.18 GHz,Q分别为194,143,231,468.数值计算的谐振频率与实验测出的频率基本一致.

紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的实验设计

设计加工了一个L波段磁绝缘线振荡器 (MILO) ,并进行了实验研究。在二极管电压为 5 15～5 38kV ,二极管电流为 5 8～ 6 1kA的条件下 ,获得了频率为 1.76～ 1.78GHz,功率为 2 .2～ 2 .5GW的TM0 1模高功率微波辐射 ,功率转换效率为 7.3%～ 7.9%。

双频磁绝缘线振荡器的高频特性

建立了基于谐振腔深度角向分区的L波段双频磁绝缘线振荡器的模型,并采用数值研究的方法,开展了双频磁绝缘线振荡器主慢波结构的色散特性分析,同时还研究了封闭结构和开放结构的双频磁绝缘线振荡器的谐振腔,得到其谐振频率、场分布、Q值等信息,从高频特性研究的角度来进一步验证了双频磁绝缘线振荡器产生稳定的双频率高功率微波的可行性。研究表明:双频磁绝缘线振荡器的高频结构可以分区工作,每一个分区对应一个谐振频率。

改进型磁绝缘线振荡器的设计和数值模拟

综合两种现有磁绝缘线振荡器的优点,对器件进行改进,将双渐变结构、轭流片和阻抗渐变三种增大功率的机制综合考虑,利用二维半全电磁PIC程序进行数值模拟,设计了一种新的改进型磁绝缘线振荡器,当外加电压为550kV,电流为35kA左右时,在L波段获得了6GW的峰值输出功率。

紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的粒子模拟

采取减小阴极杆半径和长度、阴阳极间隙、叶片的长度和厚度及慢波结构周期的办法构造了一种紧凑型磁绝缘线性振荡器(MILO),并用2.5维全电磁PIC方法对这一器件进行了粒子模拟研究。该装置主频为1.9GHz,饱和后平均输出功率达5.4GW,束波转换效率达12%。紧凑型MILO结构能避免电击穿,电子束发射的对称性较易控制。

一种改进型C波段磁绝缘线振荡器的数值模拟研究

提出了一种改进型C波段磁绝缘线振荡器,并对其进行了优化设计。首先根据磁绝缘原理对慢波结构进行了理论分析,并选择了磁绝缘线振荡器阴极半径和主慢波结构的基本参数,然后用2.5维全电磁PIC方法研究了输出功率与其它参数之间的关系。模拟表明,优化结构可以在输入约21GW电功率(工作电压约500kV)的条件下,得到频率3.91GHz、平均功率2.71GW的微波输出,其饱和时间为10ns,平均效率为12 9%。

磁绝缘线振荡器脉宽及效率与三角波电压关系

采用数值模拟与实验相结合的方法,在没有功率容量不足问题的情况下,研究了磁绝缘线振荡器(MILO)的输出微波脉宽和功率效率与类似三角形二极管电压的关系,研究结果表明:在相同宽度的电压条件下,随着电压幅度的增大,输出微波的底宽和半高宽相应增大,功率效率先增大,当达到饱和后功率效率逐渐降低;在相同电压幅度条件下,随着二极管电压上升沿(斜率不变)的增大,输出微波的半高宽略有增大,但功率效率略有降低。因此,在有限脉宽的类似三角形二极管电压条件下,通过增大二极管电压上升沿的方法,可以有效地增大输出微波脉宽;而在有限电压幅度条件下,通过减小电压上升沿的方法,可以有效地增大输出微波的功率。选择适当的二极管电压参数,可以解决MILO器件在类似三角形二极管电压条件下的输出微波功率和脉宽两个指标相匹配的问题。

双频磁绝缘线振荡器微波产生特性的数值研究

利用数值模拟的方法,研究了角向分区比例分别为1∶1,1∶2,1∶3,2∶1和2∶2的双频磁绝缘线振荡器(MILO)的微波产生特性,得到了"热腔"条件下的微波电场分布,电子的相空间图,输出微波的总功率,以及微波频率随角向的分布变化等特性。为了比较,还给出了对应于双频MILO的谐振腔深度的两种常规的角向均匀的单频MILO的模拟结果。研究揭示了双频MILO内束-波互作用分区分别工作的规律,提高了对双频MILO产生双频率高功率微波的机理的认识,为双频MILO的双频辐射技术和双频微波测试技术提供了依据。

L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器的粒子模拟与实验研究

对L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器(MILO)进行了粒子模拟,在输入电压710 kV,电流56.6kA条件下,得到微波输出功率为4.8 GW,微波频率1.22 GHz。根据模拟结果设计MILO实验装置并开展实验研究,介绍了测试方法与测试系统,并对辐射微波功率、频率和模式进行了测量。在二极管电压740 kV,电流61 kA条件下,测得辐射微波功率为3.57 GW,微波脉宽46 ns,微波频率1.23 GHz,功率转换效率8%,辐射微波模式为TM01模。

磁绝缘线振荡器中模式竞争问题的数值模拟

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。

磁绝缘线振荡器重复频率运行真空系统优化

为改善一种L波段磁绝缘线振荡器(MILO)重复频率运行时的真空环境,建立了器件在分子流下的抽气模型,采用Monte-Carlo方法对阴极脉冲放气后的瞬态抽气过程进行了模拟计算,获得了不同时刻气体分子在MILO内部的3维分布情况,并据此提出了一种"分布式"抽气方案,即在MILO靠近气源的微波传输区增加一抽气单元,以缩短脉冲间隔内的抽气时间。在Torch-01调制器上开展了MILO"分布式"抽气的实验验证,结果显示,"分布式"抽气时的气压下降特征时间为单泵的0.22倍,与模拟结果基本一致;初步的重复频率测试也表明"分布式"抽气能够缩短脉冲串间隔内的抽气时间以保持器件运行时的真空水平。在所给实验条件下,从真空的角度,"分布式"抽气能够使MILO有效运行的重复频率数提升至单泵抽气时的5倍。