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调制型虚阴极振荡器的研究

作　者: 王弘刚
导　师: 张亚洲
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 高功率微波虚阴极 PIC粒子模拟双间隙同轴提取侧向提取反馈电子束调制
分类号: TN752
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

在众多的高功率微波源中，虚阴极振荡器具有一些特殊的优点，如：结构简单、微波峰值功率高、对电子束质量要求较低等，因而容易发展成体积小、重量轻、使用可靠的实用化紧凑型高功率微波源。虚阴极振荡器的研究吸引了各国科学家，特别是军事科学技术科学家的广泛重视。在过去二十多年中，出现了多种改进性能的虚阴极振荡器，如：反射三极管、ReditrOn、同轴虚阴极振荡器、谐振腔锁频虚阴极振荡器、多个虚阴极振荡器相位锁定装置、各种反馈式虚阴极振荡器等等。但是，由于虚阴极振荡器中束-波相互作用空间一般缺少对称性，束—波相互作用过程复杂、具有高度的非线性性质，到目前为止，尚没有得到详细描述虚阴极振荡确切物理过程和全面反映虚阴极振荡器内部定标规律的统一理论。相对低的束—波能量转换效率、频率漂移和输出功率的不稳定仍是虚阴极振荡器类型的高功率微波源的主要缺点。最近，在世界范围内，虚阴极振荡器的研究者都在努力进一步认识束—波作用的内在物理机制和思考出能控制束—波相互作用过程的有效方法。作为深入认识虚阴极振荡器的内在物理规律，改进虚阴极振荡器性能的一种努力，本篇论文从理论、粒子模拟、实验三方面较为深入细致地研究了一类改进型虚阴极振荡器——电子束调制型虚阴极振荡器。理论上，较为深入的研究了束电子在虚阴极处透射、反射的变化规律、参数依赖关系及其对束—波作用效率的影响，指出透射率变化的物理本质是束电子由阳极向虚阴极运动过程中与电磁场相互作用，受到能量调制的结果。束电子在虚阴极处的透过率随其能量变化而变化，在电子束整个运行过程中是束电子失去能量、微波得到增长，这是虚阴极振荡器中微波增长的一个基本机制。明确指出微波增长主要是从反射束电子中获得了能量，而透射束电子对微波的增长一般是不利的。根据研究结果指出虚阴极振荡器中微波可能在两个或多个频率带宽内获得增长，但微波的主频率在低频带范围内。在分析了影响束波相互作用强度的因素以及提高束波作用效率方法的基础上，指出对入射电子束进行调制可以增大电子束交给微波场能量的效率。在理论分析的基础上论文给出了两种结构的电子束调制型虚阴极振荡器——同轴提取双间隙虚阴极振荡器和侧向提取双间隙虚阴极振荡器。国防科技大学研究生院学位论文利用2.5维电磁模相对论PIC粒子模拟程序研究了普通虚阴极振荡器，通过分析在不同空间区域的电子束流与微波场的位相关系以及束电子的空间分布，得出了普通虚阴极振荡器中，微波只在阳极与虚阴极之间的空间区域获得增长;在虚阴极下游区域微波将能量交给透射束电子，从而造成微波功率的降低;即微波主要从反射束电子中获得能量的结论，验证了理论分析结果。在此基础上研究了具有吸收透射束电子结构的同轴提取双间隙虚阴极振荡器。在与普通虚阴极振荡器相同的束参数下，获得了峰值功率为2.ZGW，平均功率为1.OSGW，频率为3.66GHz的微波输出，束波转换效率可达15.2%。说明在虚阴极振荡器中对电子束进行预调制、增大束波作用空间电场强度以及吸收透射束电子的方法可以获得较高的束波转换效率。利用3维电磁模相对论PIC粒子模拟程序研究了侧向提取的双间隙虚阴极振荡器，分析了器件的结构参数、束流参数对束波作用和微波输出的影响。模拟结果显示:在72OkV、13.skA的束流参数下，获得峰值功率为2.SGW，平均功率达到1.15GW的微波输出，束波转换效率为11.6%。波导输出口的微波模式是典型的TE10模，工作在S波段，主频率介于2.6GHz一2.SGHz。在理论分析的基础上，根据粒子模拟优化的结果，设计并加工了侧向提取的双间隙虚阴极振荡器，并进行了初步的微波实验。实验得出:当反馈微波祸合口长度逐步改变时，微波输出功率规律性的变化，最大功率为220姗，实验中得到的微波主频为S波段，每一炮测量到的微波频谱都相当纯。模式测量证实微波输出的主要模式是TE，。模。初步实验结果验证了理论研究和粒子模拟的结果。侧向提取双间隙虚阴极振荡器实验装置的进一步改善将使其发展成实用型的高效率、多用途的高功率微波源。或者，也可以将其发展成为输出功率可以方便控制的高功率微波实验台，这种微波实验台在微波效应定标规律研究中是非常重要的。关键词:高功率微波，虚阴极，Plc粒子模拟，双间隙，同轴提取，侧向提取，反馈、电子束调制。第H页

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
第一章绪论  10-19
  §1.1 高功率微波的研究概况  10-12
  §1.2 虚阴极振荡器的发展历史与研究概况  12-16
    1.2—1 虚阴极振荡器的发展历史  12-14
    1.2—2 虚阴极振荡器的理论研究概况  14-16
  §1.3 本文的研究内容和主要贡献  16-19
    1.3—1 研究的主要内容  16-17
    1.3—2 主要贡献  17-19
第二章虚阴极振荡器的理论研究  19-39
  §2.1 虚阴极振荡器微波产生机制的理论分析  19-26
  §2.2 双间隙虚阴极振荡器物理机制的理论分析  26-33
  §2.3 腔体高频特性的分析  33-37
    2.3—1 同轴提取双间隙虚阴极振荡器的场分布和谐振频率  33-36
    2.3—2 侧向提取双间隙虚阴极振荡器的谐振特性和场分布  36-37
  §2.4 小结  37-39
第三章粒子模拟的研究  39-77
  §3.1 粒子模拟方法简介  39-42
    3.1—1 粒子模拟方法  39-40
    3.1—2 基本模型  40-41
    3.1—3 诊断  41-42
  §3.2 虚阴极振荡器的基本物理图象  42-48
  §3.3 同轴提取双间隙虚阴极振荡器的模拟  48-57
    3.3—1 基本物理图象  48-52
    3.3—2 器件结构参数对输出微波的影响  52-57
    3.3—3 小结  57
  §3.4 侧向提取双间隙虚阴极的模拟  57-77
    3.4—1 基本物理图象  59-65
    3.4—2 器件结构参数对输出微波的影响  65-71
    3.4—3 束流参数的影响  71-75
    3.4—4 小结  75-77
第四章侧向提取双间隙虚阴极振荡器实验研究  77-95
  §4.1 侧向提取虚阴极振荡器实验装置的设计  77-79
  §4.2 实验设备及条件  79-81
    4.2—1 强流电子束加速器原理及参数  79-80
    4.2—2 真空设备  80-81
  §4.3 微波功率测量  81-86
    4.3—1 微波功率的测量方法  81-83
    4.3—2 微波功率的标定  83-86
  §4.4 微波频率与模式的测量  86-89
    4.4-1 微波频率的测量  86-88
    4.3-2 微波模式的测量  88-89
  §4.5 耦合口尺寸对输出微波的影响  89-92
  §4.6 讨论  92-95
第五章总结  95-98
  §5.1 主要工作及结果  95-97
  §5.2 今后工作展望  97-98
致谢  98-100
参考文献  100-109
附录1  109

调制型虚阴极振荡器的研究

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