为克服全电磁粒子模拟(PIC)程序不利于优化设计的弱点,提高高功率微波器件的优化设计水平,将遗传算法与全电磁粒子模拟算法有机融合,研制出二维全电磁粒子模拟并行优化程序。据此对高功率微波源器件--两个波段的磁绝缘线振荡器(MILO): C-MILO和L-MILO进行优化设计。在输入功率不变的条件下,原C-MILO效率为10.8%,经优化后效率为15.4%; 原L-MILO效率为12.6%,经优化后效率为17.7%。由此得出,两类MILO模型经优化后在输入功率基本不变的情况下输出功率和效率都有很大程度的提高,且模型几何参数合理,物理图像正确。

利用脉宽调制技术, 设计了一台为高功率微波源提供导引磁场的脉宽调制型励磁电源, 它可在励磁线圈中产生一定持续时间的准稳态强磁场。励磁电源的储能部分采用容量15 F、最高充电电压800 V的储能密度较高的超级电容器, 最大储能为4.8 MJ, 内阻小于0.25 Ω。在储能电容充电645 V的情况下, 对电感约为60 mH、电阻约0.40 Ω的励磁线圈进行了励磁实验, 获得了持续时间为1.9 s、幅值为900 A准稳态电流, 电流波动幅度为5%, 对应线圈中的最大轴向磁场为2.2 T。实验结果与理论计算基本一致, 表明所研制的励磁电源达到了设计要求。

设计了一个用于为L波段同轴相对论返波振荡器提供导引磁场的双线绕制、分段磁场线圈系统。根据粒子模拟中对磁场的要求和实验室已有的条件来确定磁场的各参数,通过数学软件Mathcad和全电磁粒子模拟程序Karat对设计出的轴向磁场位形进行验证。采用基于Hall效应的Tesla计对加工好的磁场线圈产生轴向磁场空间分布进行了测量,同时利用电子束轰击尼龙靶来考察电子束被导引的效果。利用绕制好的磁场线圈开展了初步实验研究,在二极管电压655 kV,电子束流为10.4 kA,导引磁场0.7 T的条件下,输出微波峰值功率约为864 MW,微波波形半高宽为23 ns,功率转换效率约为12.7%,频率1.61 GHz。