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
在3维Yee网格和蛙跳模型上建立了一种合理的描述阳极栅网中电子散射过程的物理模型，在经典碰撞理论基础上推导了散射角和动量公式,并运用蒙特卡罗法模拟了高斯分布电子束在径向虚阴极情景下的阳极栅网散射过程。模拟结果出现了明显的虚阴极现象，平均功率0.60 GW，虚阴极效率4.5%，微波主频4.7 GHz，主模是TM 01模。这些参数与文献模拟的数据基本符合，证明了虚阴极中阳极栅网数值模拟实现的正确性。
粒子模拟 蒙特卡罗法 阳极栅网 同轴虚阴极 particle-in-cell simulation Monte-Carlo method anode grid coaxial virtual cathode oscillator
1 安徽工业大学 电气信息学院, 安徽 马鞍山 243002
2 中国科学技术大学 国家同步辐射实验室, 合肥 230029
描述了小空间尺度下一种硅外延平面二极管过流时的实验现象, 以电压调控开关的模型解释这种现象。通过电压调控开关模型的二极管间隙间电势变化过程的定性分析可知, 由于空间电荷效应, 超过或临界空间电荷时, 二极管电流有可能呈现振荡特性。通过无限大空间内薄束漂移的时间行为证明了这种振荡存在的可能性。用非线性方程的数学模型对这种现象做了仿真, 仿真结果与实验现象相吻合。
张弛振荡 电压调控开关 虚阴极 漂移 粒子群聚 渡越时间 relaxation oscillation voltage-controlled switch virtual cathode drift particle aggregation transit time
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
1 国防科学技术大学,光电科学与工程学院,长沙,410073
2 解放军电子工程学院,光电对抗系,合肥,230037
在反射三极管实验平台上,通过浸渍碘化铯(CsI)碳纤维阴极与不锈钢阴极实验对比,研究了碳纤维阴极对虚阴极振荡器输出微波脉宽及能量的影响.实验得出碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波脉宽约200 ns,较不锈钢阴极虚阴极振荡器增加了30%;对输出微波脉宽面积近似积分,得出碳纤维阴极虚阴极振荡器与不锈钢阴极虚阴极振荡器的输出微波脉宽面积比值约为2.273,表明碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波能量是不锈钢阴极虚阴极振荡器的2倍左右.分析认为碳纤维阴极的材料特性及其综合发射机制导致阴阳极间等离子体膨胀速度及温度降低,延缓了阴阳极间隙的闭合,从而增加了输出微波脉宽,提高了微波输出能量.
高功率微波 碳纤维阴极 反射三极管 虚阴极振荡器 微波脉宽
中国工程物理研究院,应用电子学研究所,四川,绵阳,621900
对不同透过率的阳极网进行实验研究,得到了主频为3.4 GHz和3.7 GHz的辐射微波,对同轴虚阴极内的电子束分布进行了分析.对同轴虚阴极内的本征模式进行了计算,并与实验结果进行比较.实验结果表明:网内电子束的分布对微波输出模式有重要影响;同轴虚阴极微波频率是阴阳极间距及谐振腔共同作用的结果;阳极网透过率对频率有显著影响,透过率越高,则微波频率相应提高.
高功率微波 同轴虚阴极 电子束分布 谐振腔 模式分析
该新型双间隙虚阴极振荡器的互作用区为一带孔金属薄膜隔开的两个圆柱形谐振腔;器件采用侧向提取同轴输出的方法,具有输出效率高和输出模式纯的优点;第一阳极薄膜采用了局部薄膜结构.对互作用腔进行冷腔分析,计算得到互作用腔Ⅰ和Ⅱ的品质因子分别为6 960和71.8,共振频率为2.3 GHz.当电子束电压为515 kV、电流为10 kA时,通过参数优化,模拟得到周期平均峰值功率大于570 MW、频率约2.4 GHz的微波输出,效率达到11%.模拟还发现电子束的最佳阻抗值约为51.5 Ω;电子束的输入功率在较大范围内变化时,器件的输出效率保持大于10%;在一定的范围内,器件的输出效率随电子束密度的增加而增加.对器件中由于电子能量沉积而引起的阳极膜的温升进行了估算,得到膜的最高温度为434 K,远低于熔点933 K.
高功率微波 双间隙虚阴极振荡器 金属薄膜 数值模拟
