Efficiency and stability enhancement of a virtual cathode oscillator

A virtual cathode oscillator （VCO） with a resonant cavity is presented and investigated numerically and theoretically, and its efficiency and stability are enhanced. An equivalent circuit method is introduced to analyze the resonant cavity com- posed of anode foil and feedback annulus, and a theoretical expression for the fundamental mode frequency of the resonant cavity is given. The VCO is investigated in detail with a particle-in-cell method. We obtain the microwave frequencies from simulation, theoretical expression, and relative references, and draw three important conclusions. First, the microwave fre- quency is a constant when the diode voltage is changed from 588 kV to 717 kV. Second, the fluctuation of the microwave frequency is very small when the AK gap is changed from 1.2 cm to 1.6 cm. Third, the microwave frequency agrees with the theoretical result. The relative error, which is calculated according to the theoretical and simulation frequencies, is only 1.7%.

热电子发射对钨偏滤器靶板附近磁化鞘层影响的模拟研究

高约束模式是先进托卡马克装置的首选运行方式,但边界局域模的爆发会使沉积到偏滤器靶板的热负荷急剧增大,导致靶板温度迅速上升,表面热电子发射增强.本文采用一维流体模型模拟了热电子发射对磁化鞘层特性的影响.结果表明,在热电子发射的作用下,靶板的悬浮电势幅值减小,电场强度减弱.大量的热发射电子离开靶板,使得在靶板附近出现净电荷密度为负的区域,将磁化鞘层划分为离子鞘和电子鞘两部分.在电子鞘中,随着靶板表面温度的升高,靶板前累积的电子增多,电势分布呈现非单调性,出现虚拟阴极结构.靶板附近形成的反向电场会限制热发射电子离开靶板,离子运动减速,导致沉积到靶板的离子能量降低.随着磁场与靶板法线夹角的增大,磁化鞘层总电势降变大,虚拟阴极电势降低,磁化鞘层中电子鞘的占比增加,形成虚拟阴极所需的靶板温度升高.

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。

空心束虚阴极激励微波的主模式的研究

把虚阴极振荡激励微波的过程看成是一个时空振荡电流元激励微波的过程,在薄电荷层近似下,求得空心束虚阴极激励微波的主模式关系,并讨论了束几何位形与微波输出功率之间的关系。我们所确定的主模式与实验和粒子模拟的结果相符。

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。

虚阴极振荡产生高功率微波的粒子模拟

独立研制了一个柱对称、非周期边界12/2维相对论性电磁模粒子模拟程序。用它研究了强相对论电子束射入一端封闭、一端开口的波导管所产生的虚阴极振荡和激发的高功率微波。得到了清晰、合理的物理图象,虚阴极振荡频率符合(1～2π^(1/2)ω_(peb)的经验规律。激发微波的效率可高达10％。此外,通过模拟计算,研究了辐射频率、辐射效率与外加导引磁场、电子束流强度、电子束能量和电子束半径的依赖关系。得到了一些合理而有价值的规律。

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。

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。

虚阴极的单电荷层模型

通过引入虚阴极振荡的单电荷层模型，得到了虚阴极振荡产生微波的线性色散关系。同时，分析了入射、反射、透射束流中振荡成份与虚阴极振荡的两本征模式相互作用，得到非线性色散关系，并给出了虚阴极振荡产生微波的机制。

粒子模拟中阳极栅网模型的实现

在3维Yee网格和蛙跳模型上建立了一种合理的描述阳极栅网中电子散射过程的物理模型,在经典碰撞理论基础上推导了散射角和动量公式,并运用蒙特卡罗法模拟了高斯分布电子束在径向虚阴极情景下的阳极栅网散射过程。模拟结果出现了明显的虚阴极现象,平均功率0.60GW,虚阴极效率4.5%,微波主频4.7GHz,主模是TM01模。这些参数与文献模拟的数据基本符合,证明了虚阴极中阳极栅网数值模拟实现的正确性。

虚阴极振荡在谐振腔中激励微波的理论分析

文中将虚阴极看作一个带电圆盘，用场的模式展开方法讨论了虚阴极振荡在谱振腔中对微波的激励，得到了微波频率、模式与虚阴极振荡的关系。结果表明，在谐振腔较长时容易得到单一频率成分微波，这与试验结果一致。分析还表明，特征频率越接近虚阴极振荡频率的模式，其展开系数就越大。

微波调制型虚阴极振荡器的理论分析

理论分析并数值计算了具有外注入微波或自反馈微波调制电子束的虚阴极振荡器特性 ,发现通过合理选择调制信号的参数 ,虚阴极振荡器的运行性能可以大大提高 ,理论计算结果与实验结果符合的较好。

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。

虚阴极高功率微波发生器的粒子模拟

本文简述了PIC模拟(Particle—in-cell Simulation,简称粒子模拟——Particle Simu—lation)的基本方法,全面评述了用粒子模拟方法研究虚阴极高功率微波发生器的历史、现状、基本方法、优点和模拟结果。

新型高功率虚阴极径向反射速调管振荡器

提出了一种新型的高功率虚阴极径向反射速调管振荡器,它结合了虚阴极振荡器容易起振和速调管微波产生效率较高的特点。利用虚阴极反射电子束对调制腔的正反馈,可以减小起振电流和起振时间,而且提高了微波产生效率。它是一种结构简单、紧凑的器件。用2.5维PIC程序对这种器件进行了数值模拟研究。得到的数值模拟结果表明,输入电压620 kV,电流25 kA,输出微波周期平均功率为2.5 GW。虚阴极振荡频率被锁定,频率为1.25 GHz。

热电子发射同轴二极管几何结构对空间电荷限制流的影响

本文基于同轴二极管一维空间电荷限制流经典理论公式,利用CST粒子工作室研究了热电子向外发射同轴二极管二维空间电荷限制流随二极管几何结构参数变化的规律和几何结构对虚阴极产生临界条件的影响。结果表明,二极管修正系数是纵横比的单调递减函数;随阳极半径与阴极半径比值的增大,修正系数逐渐降低;二极管的电压、阳极和阴极半径及阴极长度均会影响虚阴极的产生。本文研究结果将为射频四极管结构设计及优化提供参考和理论依据。

硅外延平面二极管过流振荡机理

描述了小空间尺度下一种硅外延平面二极管过流时的实验现象,以电压调控开关的模型解释这种现象。通过电压调控开关模型的二极管间隙间电势变化过程的定性分析可知,由于空间电荷效应,超过或临界空间电荷时,二极管电流有可能呈现振荡特性。通过无限大空间内薄束漂移的时间行为证明了这种振荡存在的可能性。用非线性方程的数学模型对这种现象做了仿真,仿真结果与实验现象相吻合。

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．

电磁脉冲导弹技术及其发展动态

随着高能电磁脉冲产生技术和高能微波技术的发展 ,应用于信息战的电磁脉冲导弹在技术上已经成熟。讨论了电磁脉冲导弹的若干关键技术 ,综合阐述了电磁脉冲导弹的发展趋势及动态。