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
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480 keV和23 kA时, 采用2.5维粒子模拟(PIC)程序模拟得到频率为3.7 GHz、功率为2.6 GW的微波输出, 器件束波转换效率约为23%。
半反射腔 准谐振腔 虚阴极振荡器 粒子模拟 fractional reflector quasi resonance cavity vircator particle-in-cell simulations 强激光与粒子束
2015, 27(5): 053005
1 电子物理与器件教育部重点实验室(西安交通大学)， 西安 710049
2 西北核技术研究所， 西安 710024
提出一种高效率预调制型同轴虚阴极振荡器，进行了数值模拟研究。研究表明：径向束流预调制型同轴虚阴极振荡器利用在束-波互作用区加载金属圆环形成谐振腔，改变束-波互作用区的电场，对电子束进行调制。圆筒形金属形成的调制腔产生的电场既对电子束进行了调制，同时对微波频率进行了锁定，其谐振频率主要是由加载的金属圆筒的长度和两个圆筒之间的径向距离决定。经过优化设计，在600 kV，73 kA无外加引导磁场的条件下，预调制型同轴虚阴极振荡器获得了平均功率6 GW，频率为2.575 GHz的微波输出，效率达到13.94%。
高功率微波 同轴虚阴极振荡器 谐振腔 预调制 粒子模拟 high power microwave coaxial vircator resonant cavity premodulation PIC simulation 强激光与粒子束
2014, 26(6): 063036
1 西安交通大学 电子物理与器件教育部重点实验室,西安 710049
2 西北核技术研究所,西安 710024
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-φ 3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。
高功率微波 粒子模拟 尤普软件 相对论磁控管 虚阴极振荡器 high power microwave particle-in-cell simulation UNIPIC code relative magnetron vircator 强激光与粒子束
2009, 21(12): 1866
1 清华大学 工程物理系 高能辐射成像国防重点学科实验室,北京 100084
2 西北核技术研究所, 西安 710024
利用求解格林函数的方法,对束流预调制型同轴虚阴极振荡器进行了初步理论分析。分析结果表明,相同参数入射电子束同轴虚阴极振荡器的束波转换效率正比于预调制深度的平方,提高预调制的深度可以很好地提高束波转换效率;任意的束波互作用区结构参数和入射束流分布参数,都会存在一个对应工作状态下最大束波转换效率的最佳预调制频率,合理选择预调制频率可以优化同轴虚阴极振荡器的微波输出。
同轴虚阴极振荡器 束流预调制 格林函数 束波互作用 coaxial vircator beam premodulation Green function beam-wave interaction
国防科技大学 光电科学与工程学院,长沙 410073
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700 kV,电流23 kA的条件下,可输出功率大于1.7 GW,频率4.0 GHz,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700 MW,频率约4.1 GHz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。
高功率微波 虚阴极振荡器 谐振腔 粒子模拟 high power microwave vircator resonant cavity particle simulation
国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南,长沙,410073
采用远场测量法测量了虚阴极振荡器波导口的微波辐射方向图及虚阴极振荡器波导口处接上TM01-TE11模式转换器时的微波辐射方向图,接收喇叭口面与微波辐射口之间的距离为1.00 m,满足远场条件.结果表明:两种情况下的辐射主模式分别为TM01模式和TE11模式,从而证实了在实验装置轴对称的条件下,轴向虚阴极振荡器的微波辐射主模式确为理论所预期的TM01模式.对辐射模式的分析表明,TM01模式纯度约为90%,TE11模式的辐射功率为TM01模式的5%左右;TE21,TE01和TM11模式三者的总辐射功率较TM01模式低一个量级以上,微波辐射功率大于300 MW,辐射频率为4.6 GHz左右,微波脉宽大于40 ns.
模式 虚阴极振荡器 远场测量 辐射方向图 Mode Vircator Far-field measurement Radiation pattern
国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南,长沙,410073
在SPARK-04强流相对论电子束加速器上,对轴向反馈式虚阴极振荡器进行了实验研究,并采用远场测量方法对其激励的高功率微波辐射进行了测量,测得了微波辐射主模及辐射功率.结果表明:微波辐射主模为TM01模,辐射功率大于500 MW,微波转换效率大于3%,辐射频率约3.6 GHz,微波脉宽大于20 ns.同时,采用单反射面Vlasov天线,实现了该器件所激励高功率微波的定向传输.
主模 定向传输 虚阴极振荡器 远场测量 Main mode Directed propagation Vircator Far-field measurement
电子科技大学物理电子学院,四川,成都,610054
集合准光腔型虚阴极振荡器和同轴虚阴极振荡器的优点,设计了一种新型的准光腔同轴虚阴极振荡器.采用自由电磁振荡理论分析了3反射镜准光学谐振腔中的场分布,并用2.5维全电磁PIC程序对该器件进行了粒子模拟.在输入电压为600 kV,二极管电流为50 kA的条件下,得到主频为7.0 GHz,峰值功率超过6 GW的功率输出,其平均功率达2.5 GW,平均束波转换效率为8.3%.
准光腔 同轴虚阴极 PIC模拟 Quasi-optical resonator Coaxial vircator PIC simulation
设计了S波段的MILO,工作频率为2.33 GHz,器件不容易产生模式竞争,适合于单模运行.进一步对MILO进行改造:阴极加入端面发射,使磁绝缘效果更好;收集极采用金属薄膜,利用磁绝缘电流形成虚阴极,充分发挥负载电流的磁绝缘作用,利用负载电流参与波束能量转换,使输出功率和效率进一步提高.通过优化设计的虚阴极MILO,在输入电压为450 kV,电流为45 kA时,最终得到2 GW的周期平均输出功率,效率高达10%.
负载二极管 虚阴极 MILO MILO Loading-diode Vircator
1 北京应用物理与计算数学研究所,北京,100088
2 华北电力大学,信息工程系,北京,102206
用解析方法研究了虚阴极振荡器中微波产生的机理,给出了小信号增益公式和饱和功率的标度.由此得到的结论是:虚阴极振荡器的辐射一般情况下是由相位受到RF场调制的从虚阴极反射的电子束流产生的,当注入电流稍大于第一临界电流时,有最高辐射增益区,但反射电流较小;当注入电流稍大于第二临界电流时,有较高辐射增益区,反射电流也较大.
虚阴极振荡器 微波产生机理 反射电流 解析理论 Vircator Mechanism of microwave generation Reflected electron current analytical theory
