Particle Simulation of an Improved Axially Extracted Vircator

An axially extracted virtual cathode oscillator (vircator) with a feedback annulus is proposed and configured through particle-in-cell (PIC) simulation in Ref. [1]. In this paper, the effects of the feedback mechanism are studied through PIC method. The simulated results indicate that the improved new vircator can increase the output power twice large than that of the axially-extracted conventional vircator under the same condition. On the other hand, it can narrow the bandwidth and purify the modes.

心脏脉动流模拟驱动电机设计与控制方法研究

心脏脉动流实验系统是为了模拟人体血液循环系统而搭建的实验台。模拟心脏脉动流要求驱动机构能产生脉动的运动规律,其可以通过使用直线驱动元件带动活塞运动,从而使密闭水箱中的硅胶心脏模型压缩与舒张,由此来模拟心脏腔室内的血流脉动规律。根据实验台循环系统对驱动电机的结构要求及控制要求,提出利用有限元分析法建立R-Z轴模型设计驱动直线电机,解决现有驱动直线电机不能同时满足垂直方向行程大、灵敏度高、推力大的问题。提出基于粒子群算法智能参数整定的反馈+二阶前馈复合控制算法,解决了其他同类型实验台控制精度低、PID调参难、与生理曲线差别大的问题,达到了较好模拟真实心脏腔内血流流量和压力曲线的目的。

高功率微波器件2.5维通用粒子模拟软件——尤普

利用体积加权宏粒子模型,考虑了阴极形状的爆炸电子发射模型、散度校正完全匹配层边界等新型和改进型电磁粒子模拟算法模型,提高了粒子模拟算法的计算精度,并有效降低数值噪声。在此基础上开发出2.5维全电磁通用粒子模拟软件——尤普,可在x-y,z-r和r-φ3种坐标系下应用于高功率微波器件的2.5维数值模拟研究和结构设计。对相对论磁控管、磁绝缘线振荡器和虚阴极振荡器等高功率微波器件的模拟结果表明:尤普软件得到了正确的物理图像和物理规律。

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。

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%。

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。

一种环形反射板结构同轴虚阴极振荡器

为了提高同轴虚阴极振荡器的能量转换效率,提出了一种环形反射板结构,在阳极箔末端采用一个环形反射板,利用自反馈微波对电子束进行预调制,增强了波-束互作用,提高了能量转换效率.2.5维粒子模拟表明,微波输出功率随反射板的位置呈周期性变化.经过对结构参数的优化,采用距离阴极发射面左端20mm、内径为25 mm的环形反射板,微波输出功率最高.在外加600 kV电压条件下,模拟得到了1.13 GW微波输出功率,其能量转换效率达到8%,频率为4.85 GHz,频谱特性好.

新型高效率虚阴极振荡器

结合低磁场返波管振荡器和虚阴极振荡器的优点,设计了一个具有较高效率的虚阴极振荡器,通过添加半反射腔,使虚阴极在由阳极箔、波导和半反射腔组成的准谐振腔内形成,实现器件的高效率、高功率运行。当电子能量和束流分别为480keV和23kA时,采用2.5维粒子模拟(PIC)程序模拟得到频率为3.7GHz、功率为2.6GW的微波输出,器件束波转换效率约为23%。

力反馈技术水墨扩散仿真

将力反馈技术引入中国书画绘制仿真过程,提出基于力反馈技术的水墨扩散仿真方法,实时仿真不同宣纸上笔道的水墨扩散效果.通过研究毛笔受力时笔道轮廓的形成和笔纸之间的水墨传输过程,提出毛笔笔道的仿真算法.研究不同宣纸的纤维分布及其对水墨的吸收和扩散,构建以纸元为基本单位的参数化宣纸模型.利用水墨在纸元间的传输有效地仿真了"粒状现象"和笔道扩散区域墨色的深浅变化.基于硬件组件HP xw 8600工作站和Phantom Desktop力反馈设备,构建力反馈技术虚拟绘制系统.用户可以通过Phantom Desktop力反馈设备在不同的宣纸上实时绘制出有扩散效果的笔道,增强了虚拟绘制过程的真实感.

轴向提取反馈式虚阴极振荡器的结构设计与特性

为进一步提高虚阴极振荡器输出微波的功率和效率,同时为使其输出微波的频率更加稳定、模式更加单纯,设计了一种轴向提取的反馈式虚阴极振荡器,并利用粒子模拟方法分析了反馈装置对输出微波的影响,得到了一些规律性的认识。模拟结果表明,在相同的运行条件下,与不加反馈装置时的普通虚阴极振荡器相比,这种反馈式虚阴极振荡器的微波输出功率可以提高两倍以上,而且带宽窄、模式纯。

虚阴极振荡器中束流质量影响的粒子模拟

采用二维半全电磁PIC程序对轴向提取反馈式虚阴极振荡器中束流质量影响进行了模拟研究。结果表明:上凸前沿可使虚阴极振荡器达到饱和振荡的时间缩短,束脉冲前沿对微波饱和功率基本无影响;束流脉宽应大于16ns;当能散度为5%时,束波转换效率从单能束时的3.8%降至1.5%;束流质量(除能散度外)对微波频率基本上没有影响。

基于AGC的高压互联网络频率协调控制

针对高压互联网络频率协调困难,而自动发电控制存在控制跟踪性能差、参数最优值获取难、优化效果不明显等问题,提出了一种基于模拟退火粒子群寻优算法的闭环反馈自动发电控制。改进后的寻优算法结合了模拟退火和粒子群算法的优点,通过该算法对控制器关键参数进行寻优以使区域控制偏差值最小。由MATLAB/Simulink仿真分析验证了四机两区域模型联络线发生故障时,改进参数的闭环反馈AGC控制器能较快地使系统恢复稳定,且能较好地达到频率协调的控制作用。

反馈调制型同轴虚阴极振荡器

对反馈调制型同轴虚阴极振荡器进行了理论分析和数值模拟研究,结果表明:该器件通过增加同轴谐振腔结构并引入反馈可以对入射电子束形成明显的调制效果,从而使得器件具有高束波转化效率和频率单一稳定的特性;同时输出微波的频率被器件结构中的同轴谐振腔锁定,调节腔参数可以在一定范围内对输出微波频率进行调谐;在二极管电压约为600 kV,电子束功率26.2 GW条件下,可以得到平均功率3.6 GW的微波输出,转换效率达到13.7%,主频为5.5 GHz,模式为TM02模。

同轴虚阴极的粒子模拟

采用 2 12 维全电磁模相对论PIC粒子模拟程序对同轴虚阴极振荡器进行了数值模拟。通过改变装置的结构参数和电气参数等方法 ,对该类装置取得了一系列规律性的认识。通过模拟还发现 ,对要求的频段 ,通过加入电子收集极的方法 ,可以有效地提高功率和压制倍频现象的发生。