中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
采用非线性理论探索了同轴多注相对论速调管放大器(CMRKA)的束波互作用特性, 并与PIC结果进行了验证分析。首先推导了实心电子束的几何因子, 然后分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程, 并给出了多注速调管放大器的同轴输入腔间隙耦合系数的公式。对于束压为600 kV、束流为5 kA的16注电子束, 当输入腔间隙电压分别为4.6, 32.7, 189 kV时, 采用一维非线性理论和三维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系, 理论和模拟结果比较一致。当间隙电压为4.6 kV时, 理论计算了多注电子数的个数分别为8,12,16 以及实心电子束的半径与单注电子束通道半径比6/15,8/15,10/15(通道半径不变)时基波电流调制系数随传输距离的变化。结果表明, 随着多注电子数的个数和电子束半径的增加, 基波电流调制系数有逐渐变大的趋势。此外还计算了当间隙电压为20 kV时, 归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和归一化常数N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化。
自洽的非线性理论 三维粒子模拟 几何因子 积分微分方程 电流调制系数 电子束动能 self-consistent nonlinear theory three dimensional particle-in-cell simulation geometrical factor integrodifferential equation coefficient of current modulation kinetic energy of electron beam 强激光与粒子束
2019, 31(1): 013001
1 中国科学院电子学研究所, 中国科学院高功率微波源与技术重点实验室, 北京 100190
2 北京航空航天大学, 电子信息工程学院, 北京 100083
对平面梯形结构多间隙谐振腔的模式分布、特性阻抗、耦合系数以及工作稳定性进行了研究.在此基础上给出了W波段高峰值功率扩展互作用速调管高频互作用系统设计, 并采用三维粒子模拟(PIC)技术对电子的速度调制、群聚及其与高频场的相互作用和能量转换等物理过程进行了研究, 定量给出了放大器的功率、带宽、效率以及增益等关键技术指标.PIC结果显示: 在中心频率94.52GHz以及电压16kV、电流0.6A的电子注参数下, 最大输出功率达到1.8kW, 相应的增益和电子效率分别为47.7dB和19.4%; 扫频结果显示瞬时3dB带宽为210MHz.
扩展互作用速调管 多间隙谐振腔 平面梯形电路 电子注电导 三维粒子模拟 extended interaction klystron multi-gap resonant cavity planar ladder-type circuit beam conductance three-dimension particle-in-cell simulation
开展了具有同轴波纹渐变式反射器与光滑漂移段结构的相对论绕射辐射振荡器的研究, 并运用全三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟仿真, 分析了漂移段、反射器等结构对输出功率的影响, 探讨了反射器位置和输出功率的关系。仿真结果表明: 合适的漂移段与反射器的引入, 能大大提高输出功率。优化结构参数, 在输入电压480 kV下, 平均输出功率达到774.5 MW, 平均功率效率为32.3%。
全三维粒子模拟 相对论绕射辐射振荡器 漂移段 反射器 输出功率 full three-dimensional particle simulation relativistic diffraction generator drift segments reflector output power 强激光与粒子束
2014, 26(8): 083007
国防科学技术大学 光电科学与工程学院， 长沙 410073
利用3维高频软件对大间隙速调管输出腔及其同轴提取波导金属支撑杆进行了高频分析，建立了带双排金属支撑杆的大间隙输出腔3维结构模型，采用3维PIC程序对该输出腔的提取效果进行了粒子模拟。研究结果表明：作为输出腔同轴提取波导支撑的第二排支撑杆，和兼作输出腔腔壁的第一排支撑杆，都会影响输出腔的高频谐振特性，因此必须结合大间隙输出腔进行一体化设计；此时同轴提取波导支撑杆设计的基本原则不以追求最高的TEM模式传输效率为目的，而是通过控制双排支撑杆的散射特性，得到合适的外部品质因数和间隙电场强度。在注入电功率约2.9 GW，束流调制深度90%时，设计的带双排支撑杆的3.6 GHz大间隙输出腔结构，可提取约1.06 GW的平均功率，效率约36.5%。
大间隙速调管放大器 输出腔 金属支撑杆 3维粒子模拟 wide-gap klystron amplifier output cavity metal post 3-D PIC simulation
中国工程物理研究院 应用电子学研究所 高功率微波技术重点实验室， 四川 绵阳 621900
为了研制高功率长脉冲速调管放大器，对其输入腔进行了3维粒子模拟研究。建立了S波段速调管放大器输入腔开放腔的3维模型，计算了开放腔的谐振频率和有载Q值。将束压束流从原来的600 kV，5.4 kA提高到837 kV，12.48 kA，实现了长脉冲100 ns的稳定运行，调制束流与实验结果一致。在结构不变的情况下，将束压束流提高到900 kV，16 kA时出现了模式竞争，只能稳定运行到50 ns。为了克服模式竞争，将耦合孔改为对称的双耦合孔后，输入腔系统可以稳定运行到100 ns。
相对论 强流 长脉冲速调管放大器 开放腔 3维粒子模拟 relativistic high current long-pulse relativistic klystron amplifier open cavity three dimensional particle simulation
国防科学技术大学 光电科学与工程学院,长沙 410073
采用高频场软件对输入腔、中间腔和输出腔的高频特性进行冷腔分析。利用3维粒子模拟软件对L波段强流相对论速调管进行整体建模,模拟分析了整管工作情况,并讨论了3维模型中输入、输出耦合结构的引入对结果的影响。模拟参数为:电子束电压500 kV,电流5 kA,微波频率1.3 GHz,输出平均功率600 MW,效率约25%。
高功率微波 相对论速调管放大器 3维粒子模拟 输入耦合 输出耦合 high power microwave relativistic klystron amplifier three dimensional simulation input coupling output coupling
中国工程物理研究院 应用电子学研究所,四川 绵阳 621900
为提高行波管的增益和输出波形的稳定性,开展了带高频切断X波段大功率耦合腔行波管的研究工作。以点频7.2 GHz为例,对X波段耦合腔行波管的大信号注波互作用过程进行了3维粒子模拟,该行波管包含一处高频切断及两处微波集中衰减器。数值模拟结果表明:行波管腔数为40、电子束电压为17 kV、电流为0.8 A时,可获得2.0 kW的微波输出功率,增益达23 dB,电子效率达14.7%。
X波段 大功率耦合腔行波管 3维粒子模拟 高频切断 微波集中衰减器 X-band high power coupled cavity traveling wave tube 3D PIC simulation RF sever RF lumped attenuator 强激光与粒子束
2009, 21(10): 1506
电子科技大学,物理电子学院,四川,成都,610054
使用全三维电磁场粒子模拟程序MAFIA建立了行波管周期永磁聚焦系统模型,计算了磁系统中的磁场分布和静态电子注传输特性.分析了周期永磁系统聚焦电子注传输特性,并重点讨论了磁场强度、磁场端部效应和横向速度分布对电子注聚焦性能的影响.为周期永磁聚焦系统的工程设计和优化提供了有价值的模拟结果.
周期永磁聚焦 传输特性 三维粒子模拟 PPM focusing Beam transmission characteristics 3-D PIC simulation MAFIA MAFIA
电子科技大学 物理电子学院,四川 成都,610054
利用MAFIA软件分别对休斯型耦合腔慢波结构进行了由冷腔到热腔的计算机模拟,并将冷腔模拟结果分别与理论计算结果和实验测试结果进行比较,发现模拟结果更加接近实验值,色散特性的平均误差在0.02%左右,耦合阻抗的平均误差在5%左右,基本满足设计要求;由冷腔模拟结果导入MAFIA三维粒子模拟模块中进行注-波互作用模拟,对其工作机理进行了定性分析.
冷腔模拟 三维粒子模拟 注-波互作用模拟 定性分析 MAFIA MAFIA Cold cavity simulation Three dimensions particle-in-cell module Beam-wave interaction simulation Qualitative analysis
用二维多时标全电磁相对论粒子模拟程序对高强度超短脉冲激光对等离子体的真空加热机制进行了模拟研究,给出了合理的物理图像.
高强度超短脉冲激光 真空加热 二维粒子模拟
