X波段多频相对论返波振荡器的粒子模拟

采用过模同轴波纹型返波管,其互作用区由2段周期不同的波纹慢波结构组成,利用粒子模拟软件MAGIC进行数值模拟,得到了X波段稳定的3个频率微波输出。粒子模拟的结果为:在强流电子束电压为570 kV,电流为11.4 kA,引导磁场为0.72 T的条件下,获得的3个频率分别为9.575,10.025和10.475GHz,总微波功率为1.0 GW,效率为15.4%。通过对电压的调节,进一步获得了4个频率的微波输出。

3cm相对论返波荡器的粒子模拟研究

运用全电磁的相对论的２．５维粒子模拟程序ＭＡＧＩＣ模拟分析了３ｃｍ相对论返波管中注－波互作用的非线性过程，得到了器件微波输出功率，效率，工作频率等参量，模拟结果与实验数据较好地一致。对电子注特性参数，慢波结构尺寸，引导磁场进行了优化，获得了器件最佳化运行的工作参数。

变阻抗相对论返波管的研究

根据相对论返波管 (RBWO)的非线性理论 ,数值模拟了耦合阻抗单步跃变型RBWO效率与束流参量、耦合阻抗跃变位置、高低耦合阻抗比值的依赖关系 ,结果表明器件最优化效率可达到 5 0 % .设计制造了一个X波段高功率耦合阻抗单步跃变型RBWO ,运用全电磁粒子模拟程序仿真了器件中注波互作用过程 ,预见出器件功率、效率、频率等性能参量 .在电子注电流、注加速电压、互作用区长度相同的实验条件下 ,测得变阻抗器件实验效率约为均匀阻抗型器件效率的 2倍 .

带有反射腔的相对论返波管的数值模拟

阐述了带有反射腔的相对论返波管的数值模拟研究。利用线性理论 [1]设计了返波管的慢波结构 ,应用 SUPERFISH软件设计了谐振反射器。用 KARAT软件对谐振反射腔返波管进行了宏观粒子模拟 ,得到了优化的返波管结构参数 ,并研究了外加磁场对输出效率的影响。模拟结果表明 :谐振反射腔不仅起到截止颈的作用 ,还有预调制的作用 ;在低外加磁场条件下 ,该返波管也能输出较高功率的微波。

带有反射腔的双频相对论返波管的粒子模拟

设计了一种带有反射腔的能在X波段实现稳定双频输出的圆柱结构相对论返波管,采用2.5维相对论全电磁PIC粒子模拟软件行粒子模拟研究。仿真结果表明:在输入电压433 kV、引导磁场2.2 T的条件下,实现了9.53,10.09 GHz的双频稳定输出,平均输出功率340 MW,平均功率效率24.1%。

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。

亚纳秒毫米波返波管粒子模拟与实验研究

利用KARAT程序对亚纳秒毫米波返波管进行了粒子模拟，并在电压可调范围10～150kV、负载阻抗50Ω的RADAN303脉冲源上开展了亚纳秒毫米波返波管器件实验研究。在电子束电压200kV、电流500A、脉冲宽度1．65ns、引导磁场1．7T情况下，得到毫米波输出，辐射功率40MW，脉冲宽度500ps，频率37．6GHz，重复频率10Hz，辐射模式TE11。

双波段相对论返波振荡器模拟研究

提出了一种采用单电子束实现C波段和X波段微波同时输出的新型相对论返波振荡器,该器件的束波作用区为中间用渐变段隔开的两段盘荷结构。使用Karat软件进行了2.5维全电磁粒子数值模拟,在工作电压为1 MV,电流为8 kA,导引磁场为3 T的条件下,输出微波功率大于1 GW,功率效率约为15%,输出的微波频率分别为5.42 GHz和9.58 GHz,二者频谱幅度相差2.17 dB,模式为TEM模。

高功率相对论返波振荡器的研究

本文用自洽的线性场理论对相论返波管进行了分析和数值计算，预见出器件的工作频率及特性．报道了Ｘ波段相对论返波管实验结果：器件在束流１８ｋＡ、束能４５０ｋｅＶ的相对论电子注驱动下，在中心频率９３０ＧＨｚ处产生了峰值功率达１００ＭＷ的微波辐射．运用全电磁的相对论的２１２维粒子模拟程序ＭＡＧＩＣ模拟了返波管中注波互作用的非线性过程．最后对实验结果，线性理论分析结果，ＭＡＧＩＣ模拟结果进行了全面的比较．

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。

变阻抗相对论返波管的粒子模拟研究

设计了一种Ｘ波段耦合阻抗单阶跃变型相对论返波管结构，运用２．５维全电磁粒子程序模拟分析了器件中注波互作用过程，仿真了器件效率与电子注参数的依赖关系，得到了器件在５００ｋＶ、５．５ｋＡ电子注驱动下，能辐射出峰值功率８００ＭＷ、频率为（９．１６±０．０３）ＧＨｚ的微波，工作模式为ＴＭ_０１，效率为３０％。在截止波导与慢波结构之间设置一段长度合适的光滑漂移段，通过改善正向波基波对电子注的初始调制效果，优化效率可达到３８％。

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%。

提高相对论返波管超辐射峰值功率的新途径

基于相对论返波管束波互作用的非线性自洽方程组,针对超辐射机制相对论返波管计算模型,编制程序数值研究了二极管电压、电流、耦合阻抗等参数对输出超辐射的影响,提出了提高相对论返波管超辐射峰值功率的新途径。通过全电磁粒子模拟程序验证了所得结论:超辐射机制下,通过电子束脉冲内线性调制二极管电压和电流,以及采用非均匀耦合阻抗的混合优化方式,可以增加束波共振范围和改善束波换能效率,达到进一步提高相对论返波管超辐射峰值功率的目的。

俄罗斯基于超辐射机理相对论返波管实验研究进展

基于超辐射机理相对论返波管能产生高峰值功率、高峰值转换效率、快速上升前沿的纳秒/亚纳秒微波脉冲,正成为高功率微波源系统小型化的新技术途径.本文介绍了近几年来俄罗斯方面对超辐射返波管器件的实验研究情况,重点报道了Ka波段和X波段超辐射返波管器件的最新进展,并指出发展趋势及存在的一些关键技术问题.

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。

多电子束发射相对论返波管的三维数值模拟

在X波段相对论返波管中引入多电子束发射阴极,采用三维共形全电磁PIC粒子模拟软件对返波管进行了模拟。结果表明:多电子束发射阴极的面积为环形阴极面积的20%,产生的电流与环形阴极相同;采用多电子束发射阴极的相对论返波管能稳定地输出功率。与采用环形阴极的相对论返波管相比,由于多电子束发射阴极所产生的电子束与电磁波的相互作用降低,器件的输出功率下降11%,达到稳定输出功率的时间延迟5 ns。

X波段短脉冲相对论返波管设计与初步实验

对基于短电子束脉冲超辐射机理的X波段相对论返波管进行了优化设计和粒子模拟,结果表明:在超辐射机理作用下,该器件能实现高峰值功率和高功率转换效率的微波辐射。在小型Tesla脉冲源基础上设计了阻抗变换段、二极管、磁场系统等装置,建立了一套小型窄脉冲电子加速器,以此为实验平台在低磁场条件下进行了器件的初步实验研究。在磁场0.73 T、束压约380 kV、束流约4.5 kA、脉宽3.1 ns条件下,实验获得的微波脉冲峰值功率约360 MW,脉宽1.10 ns,上升沿800 ps,频率9.15 GHz,功率转换效率为21%。

X波段重复频率GW级超辐射相对论返波管

运用超辐射机理,通过粒子模拟设计了X波段超辐射相对论返波管,并在小型Tesla脉冲源平台上开展了实验研究。通过空间功率积分和直接对辐射微波时域波形的分析得到实验结果：在束压350 kV、束流4.8 kA、脉宽3.1 ns、引导磁场2.2 T条件下,产生的微波辐射功率1.4 GW,中心频率9.36 GHz,脉宽500-700 ps,辐射模式为TE11,能在重复频率100 Hz下稳定运行。功率转换效率超过80%。实验结果与粒子模拟结果比较吻合,成功实现了在短脉冲条件下产生重复频率、亚纳秒脉宽、GW级微波辐射。

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。

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。