X波段带状注速调管注波互作用系统的3维PIC模拟(2)
2、注波互作用系统的3 维PIC模拟
进行注波互作用系统的3维PIC模拟前,首先应给出工作参数以及相应的结构设计参数。将真空技术网提供的数据作为参考,根据速调管大信号理论并借助PIC 模拟软件,我们初选了本设计的相关参数(详见表1和表2) 。该速调管高频互作用段包含5个谐振腔,均为三间隙腔。考虑到合适的电子注群聚以及电子注的等离子体缩减波长等因素,得出漂移管的长度;考虑到电子注群聚因素以及获得最大的输出功率,确定谐振腔参数。
表1 带状注速调管的腔体参数
表2 带状注速调管的工作参数
下面我们利用PIC粒子模拟软件建立了专门用于计算带状注速调管注波互作用过程的三维设计平台。由于带状注速调管是非轴对称的平面结构,故选择了直角坐标系。采用理想电子注,聚焦磁场为纵向均匀磁场。由于在PIC 粒子模拟中,沿电子传播方向网格数不能超过1024 ,本文的模拟研究中沿此方向所采用的网格为0.5mm ,因此在该方向上模拟长度不得超过500mm。由表1 的参数可知,我们应用该平台对该X 波段带状注速调管的注波互作用系统计算时,必须分段进行。具体操作如下:将输入腔计算结束后生成的场文件和粒子文件代入第二腔进行计算。同样地,将第二腔计算结束后生成的场文件和粒子文件代入下一腔进行计算,直到输出腔为止。
图6 给出了输出腔中的电子纵向动量分布图。从图中可以看到,经输出腔后,失去能量的电子占绝大多数,这表明电子注的大部分能量交给了微波场。
图6 输出腔中的电子纵向动量分布图
图7 为输出腔的电磁场频谱。在驱动频率为11.425GHz 时,在输出腔可以看到一个单频峰值分量的电磁场,频率为11.425GHz。
图7 输出腔的电场频谱
图8为电子注归一化前2 次谐波分量沿轴向距离的变化曲线,它们的幅值随电子的群聚过程而逐渐增加,其中基波分量最大,二阶及以上的谐波分量相对较小且对最终的能量交换过程没有贡献。PIC模拟结果表明,初始速度均匀的电子注在逐次经过各谐振腔间隙电场调制后,在经输出腔时,| I1/ I0 |达到了1.36。通过调整各腔的频率以及第三腔与末前腔的距离,该基波分量能够得到进一步提高。
图8 电子注归一化谐波分量沿轴向距离的变化
为了进一步研究该X 波段带状注速调管的输出特性,我们模拟了输出功率和增益随输入功率的变化曲线。如图9 所示,功率曲线中输出功率在经过一段线性增长以后逐渐过渡至饱和。这是因为输入功率的大小决定了电子速度调制的深度,因而只有输入功率适当时,才能在输出腔形成最佳群聚,得到最大输出功率。在输入功率约为11.45kW 时,输出功率达到最大,为30.68MW,效率为29.6 % ,而增益是在输入功率为2.10kW 时最大,约40dB。随着输入功率的增加,输入腔中激励的电场幅度越大,对电子束的速度调制越强,越有利于漂移区中的群聚,亦有利于输出功率的增加和互作用效率的提高。随着输入功率增加到一定值,电子束群聚达到一定程度,此时输出功率将达到饱和。将我们的模拟结果与真空技术网给出的结果进行比较,可以基本上认为我们的模拟过程是准确的。
图9 输出功率和增益随输入功率的变化曲线
3、结论
带状注速调管的开发和利用是一个很有价值的研究方向,注波互作用系统3维PIC模型的建立与发展是带状注速调管整管三维模拟的重要组成部分,对提高器件性能起着关键作用,同时也为整管的三维设计奠定了基础。本文中,我们给出了X波段五腔带状注速调管注波互作用系统的设计步骤及模拟结果,得到了注波互作用过程中电子群聚和换能的详细的物理图象,并对其特点进行了分析和讨论。模拟结果表明,在电子注电压为415kV ,电流为250A时,该速调管可以获得大于29.6MW 的输出功率、34.3dB 的增益以及29.6 %的效率。本文的工作对于该类器件的工程设计具有重要的意义。
