金属高频结构的射频击穿是引起功率下降和脉冲缩短的重要原因，是限制高功率微波(HPM)向更高功率、更长脉冲发展的重要因素。射频击穿的物理过程极其复杂，并且开展射频击穿研究对实验条件等要求高，因此粒子模拟是研究射频击穿的重要手段。通过在慢波结构表面设置爆炸发射电子和离子的方式模拟等离子体对一个X波段的相对论返波振荡器(RBWO)和一个Ka波段的RBWO工作的影响。粒子模拟结果表明，对于分段式慢波结构，后段慢波结构产生等离子体会对电子束的调制造成影响，进而影响器件正常工作，引起微波功率下降。当等离子体由质量较轻的正离子和电子组成时，会对束波作用造成更大的影响，引起较大的输出功率下降。相同密度的射频击穿等离子体对Ka波段RBWO工作的影响大于对X波段RBWO的影响。

Research progresses on Cherenkov and transit-time high-power microwave (HPM) sources in National University of Defense Technology (NUDT) of China are presented. The research issues are focused on the following aspects. The pulse-shortening phenomenon in O-type Cerenkov HPM devices is suppressed. The compact coaxial relativistic backward-wave oscillators (RBWOs) at low bands are developed. The power efficiency in M-Type HPM tubes without guiding magnetic field increased. The power capacities and power efficiencies in the triaxial klystron amplifier (TKA) and relativistic transit-time oscillator (TTO) at higher frequencies increased. In experiments, some exciting results were obtained. The X-band source generated 2 GW microwave power with a pulse duration of 110 ns in 30 Hz repetition mode. Both L- and P-band compact RBWOs generated over 2 GW microwave power with a power efficiency of over 30%. There is approximately a 75% decline of the volume compared with that of conventional RBWO under the same power capacity conditions. A 1.755 GHz MILO produced 3.1 GW microwave power with power efficiency of 10.4%. A 9.37 GHz TKA produced the 240 MW microwave power with the gain of 34 dB. A 14.3 GHz TTO produced 1 GW microwave power with power efficiency of 20%.

相对论返波管(RBWO)高频结构表面微凸起结构导致的表面场致电子发射会加速或加剧射频击穿过程,引起RBWO功率容量下降。为提高现有RBWO的功率容量,给出了RBWO高频结构表面场增强的抑制方法,对一种X波段RBWO表面进行了精密工艺处理后,将表面粗糙度降低至未经表面精密处理时的1/40以下,有效降低了高频结构表面场增强因子,减小了结构表面场致发射电子的能力。进一步开展的高功率微波实验研究表明,抑制表面场增强后X波段RBWO的功率容量提高了25%。

对相对论返波管的慢波结构中横磁模-TM₀₁模的空间谐波系数进行了理论计算.理论上证明采用所述的4种方法构造的有限长度的慢波结构谐振腔,其一些电动力学特性可以等效为无限长结构的特性.根据慢波结构内场分布的特点和计算机数值模拟结果,提出为了提高相对论返波管的转换效率,一般选择慢波结构的起始端从波纹最深处开始.

在传统谐振法基础上发展了一种计算慢性结构(SWS)冷腔参数的脉冲响应法,它的主要思想是利用有丰富谐波成分的窄脉冲作为激励源来代替实验系统中的扫频源,从而使得获取RBWO的色散曲线速度大大加快.这种方法使得脉冲响应法成为计算SWS冷腔参数的一种快速数值算法,更加适合于数值计算,并在研究HL-RBWO时得到有效的应用.

用PIC粒子模拟方法研究了充中性气体相对论返波管的物理机制,成功模拟了电子束碰撞充入返波管中的中性气体电离产生等离子体的过程,在电子束传输的路径上形成离子通道,有效中和电子束径向空间电荷力,有利于电子束的传输及束波相互作用产生微波.增加中性气体密度,返波管的输出频率明显上移,其辐射的功率和效率比相同的真空器件也有明显的提高.

对非磁化等离子体填充的相对论返波管进行了粒子模拟分析,结果表明在一定的等离子密度范围内,观察到电子注的良好传输,得到了高功率电磁波输出。等离子体密度变化过程中,输出存在有峰值功率点。通过粒子模拟清晰地观察到注、等离子体及波相互作用的物理过程,并且模拟结果解释了部分实验现象。

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.显示了其在重复频率工作方面的重要意义.