通过对通电螺线管磁系统理论分析，实现了通电螺线管2维磁场计算。该算法是采用一次、二次插值函数计算螺线管模型磁场的有限元算法，用于求解螺线管内外任意位置处的磁感应强度分布。实现了螺线管及周期结构的计算，并将结果与Ansoft Maxwell 2-D的计算结果进行了对比。结果表明：较一次插值函数有限元算法相比，二次插值函数算法在对称轴上轴向磁感应强度的分布更准确，体现了该算法的优越性,具有显著的工程应用价值。

研究了行波管中均匀聚焦磁场和周期永磁聚焦磁场对轨迹波动的影响。推导了这两种磁场下轨迹波动周期和幅值,讨论了磁场强度对轨迹的影响。解释了聚焦磁场存在小的波动的原因,并且通过计算得出小波动的周期为磁场周期的1/2,揭示了在周期永磁聚焦磁场下,电子轨迹近似等效于周期为周期永磁聚焦磁场1/2的小波动和均匀磁场形成的波动轨迹的叠加。利用电子科技大学编写的微波管模拟套装中的3维注-波互作用模块进行了静态轨迹计算,验证了理论推导。

等离子体离子源发射面的位置和形状决定了离子束的传输特性,而发射面的位置与形状又取决于等离子体参数、引出电压、电极结构等,并自动地调节到某个平衡状态.介绍了一种2维情况下等离子体离子源发射面的位置与形状的理论计算方法,即非磁化等离子体不能扩散进入外加电场中大于一定临界值的区域,等离子体离子源发射面的位置及形状可以通过直接求解引出系统的Laplace方程而得到.利用基于PIC的OOPIC程序对不同引出结构的发射面位置及形状和引出束流进行了数值模拟,结果与理论计算的结果十分接近.

通过对行波管周期永磁聚焦系统(PPM)的理论分析,开发了2维模拟软件UESTC_PPM.该软件主要用于模拟轴对称的永磁结构,在圆柱坐标系下,采用有限差分的方法迭代求解磁钢内外任意位置处的磁感应强度分布.模拟了单磁环结构以及单周期结构,将结果与Ansoft Maxwell 3D的模拟结果进行了对比,结果表明:轴上、轴向以及径向磁感应强度的分布图均很接近,但UESTC_PPM软件耗时较短,验证了UESTC_PPM的正确性,并具有一定的精确度.

采用CHRISTINE报告中的1维多信号非线性互作用模型,在其场方程、相位方程和含空间电荷场的运动方程的表达式基础上,增加了切断区域的工作方程组,并考虑了电位下沉带来的影响.基于此非线性互作用工作方程组编写了数值计算程序.为了便于对行波管互作用进行模拟设计时选择最佳工作电压和输入功率,在程序中加入了扫描电压和输入功率的功能.对某行波管注波互作用过程进行了模拟,并分析了谐波和互调的影响.由于计算速度快,模拟结果较好,对螺旋线行波管的初步设计和验证具有较强的指导意义.

三折螺旋波纹波导使TE11模和TE21模相互耦合,其色散曲线能够在宽频带内与电子回旋共振,因此需要对色散方程进行研究.提出了适合工程实用的行波模式和返波模式的色散方程,并对方程中的耦合系数进行了简化,误差在1%左右.利用CST软件的VBA语言对螺旋波纹波导进行建模和计算,根据模拟得到的传输特性曲线的特点,提出一种模拟方法,将模拟与理论计算得到的色散曲线作对比,误差在5%左右.

提出了一种新结构的高功率径向强流速调管振荡器,该器件利用折叠式同轴谐振腔的微波场与接近空间电荷限制电流的径向电子束强烈相互作用产生高功率微波.首先对这种器件的实现机理进行了初步的分析,提出了有间隙电压情况时的径向同轴间隙的空间电荷限制电流1维近似估计模型.分析表明:对于电子束直流接近但小于直流空间限制电流的径向速调管,当有调制间隙电压时,空间限制电流要小于无调制间隙电压情况下的直流空间限制电流,径向强流电子束电流接近和超过空间电荷限制电流时会出现强烈的调制.然后用PIC程序对其特性进行了粒子模拟,在二极管输入电压500 kV、电子束电流为30 kA条件下,最终得到了峰值功率6 GW、频率1.3 GHz的微波输出.

为实现渐变螺距螺旋线慢波结构高频参数的高精度估计,基于MAFIA仿真平台,研究了螺距变化对超宽带螺旋线慢波系统(4～18 GHz)的色散、互作用阻抗与衰减常数的影响,获得了各高频参数随螺距变化的规律.研究表明:相速几乎随螺距增大而线性变大,互作用阻抗与螺距是非线性的关系,衰减常数随螺距增大而非线性地减小;由于在维持电子注与电磁波速度同步的限制下,螺距变化的幅度不可能很大,因此可近似按线性关系来处理互作用阻抗及衰减常数与螺距之间的关系.由此提出了一种可精确计算渐变螺距螺旋线慢波结构高频参数的方法线性插值法.

随着行波管的大功率小型化,收集极的温度分布和采用的散热手段对行波管的正常工作有很大影响.利用ANSYS软件对行波管收集极的散热问题进行详细的模拟计算,分析比较了不同热流加载方式对收集极温度分布的影响.采用均匀热流加载定性地比较计算了自然冷却、风冷、单层水套和双层水套等不同散热条件下收集极的热耗散功率,计算结果与经验值一致,说明了所用模型和方法的正确性.模拟分析为行波管收集极的散热方案优化设计提供有效的参考依据和手段.

为了改善磁控管的输出频谱,使模拟结构更接近实际情况,考虑了磁钢和极靴的实际尺寸.用MAFIA对磁控管内的磁系统进行建模和模拟.得到的磁场纵向分布有随着径向半径的增大而增大的趋势,这种径向不均匀性与实验测试结果一致.将非均匀的径向阶梯形变化磁场分布带入腔体热测计算,模拟得到的π模工作频率2.437 GHz,实际工作频率2.450 GHz,相对偏差0.5%,并在高频谐波的抑制上获得了输出频谱的显著改善,使微波炉磁控管具有更好的电磁防护和实际应用.