新型反射腔在多频相对论返波振荡器中的粒子模拟研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学物理电子学院 作者:张斐娜

  设计了两类新型同轴反射腔并成功地应用于多频高功率微波输出。反射腔采用非对称的同轴结构,置于同轴相对论返波振荡器( CRBWO) 慢波系统的前端。文中利用2.5 维CHIPIC 粒子模拟软件进行粒子模拟研究。仿真结果表明,带有两类新型同轴反射腔的双频CRBWO 都实现了X 波段双频稳定输出,并且其工作的电压和磁场的稳定性要明显好于传统谐振腔双频返波管。采用第二类新型同轴反射腔,在强流电子束电压480 kV,电流7.5 kA,磁场2.7 T 的条件下,得到了稳定的三频、四频输出,其注波转换效率分别为15.3%和13.9%,明显高于其他类型的多频高功率微波器件。

  研究表明,由双频或多频组成的高功率拍波去攻击电子系统时,能使其破坏功率阈值得到降低,因此能同时输出双频或多频的高功率微波源引起了广泛的注意。而能在同一个微波源里产生双频或多频输出的器件比两个或多个微波源组成的系统更具有优势,因为其成本更低,更易于实现同步输出。在近些年的研究中,主要采用返波振荡器和磁绝缘振荡器两种器件产生双频,中国工程物理研究院的陈代兵和中国科学技术大学的文杰用磁绝缘振荡器得到双频输出;2003 年N. S. Ginzburg 等研究的双频相对论返波振荡器得到注波转换效率为10%,电子科技大学的宋刚永、张建国、唐永福、王辉辉等以及国防科技大学的王挺等都采用返波振荡器得到了双频或多频输出。目前双频或多频高功率微波输出的研究主要着眼于提高注波转换效率和微波功率输出的稳定性,为此提出了很多方法,其中前置反射腔的采用较为有效。在已有的研究中反射腔主要采用空心结构,而本文设计了两类新型同轴不对称式反射腔并成功地应用于实现双频、三频、四频高功率微波输出。

1、基本原理与物理模型

  选择相对论返波振荡器作为产生多频器件是因为它是O 型器件,属于高阻抗微波源,束-波转换效率高,起振快,频率稳定,比较容易产生高功率微波,它从20 世纪70 年代问世以来,至今已有半个世纪的历史,发展相对成熟。

  用前置反射腔代替截止颈主要基于两点考虑:第一,截止颈半径随着频率升高而减小,在一定程度上限制了器件的功率容量,也可能引起电场击穿;第二,电子束通过反射腔时,轴向电场对束流起到预调制作用。在单频高功率微波源的研究中,文献[ 13]提出了一种新型非对称的同轴反射腔。其大信号理论分析以及仿真结果表明,新型非对称同轴反射腔可以在内外腔体内有效地激发起相互同向的轴向电场,可以对电子束进行更加有效的预调制,有效地提高器件的注波转换效率。因此我们尝试在多频的高功率微波源中设计新型同轴反射腔。图1 为本文设计的两类反射腔,图1( a) 采用上下部分深度不同( r 1- r2 X r3- r 4) 、长度相同的结构;图1(b) 采用上下部分深度( r1 - r2 X r3 - r4 ) 、长度皆不同( r d1 r X 0) 的结构。

反射腔结构

图1 反射腔结构

  先研究这两类反射腔在双频高功率微波输出中的应用,为实现双频输出,采用双段式慢波结构,因为两段慢波结构的波纹幅值和周期存在差异,从而色散曲线产生差异,与电子注作用时将会产生不同的作用点,因此会有不同的主频率输出,如果两段慢波结构周期相近,则能产生差频较小的双频,更利于降低攻击电子系统时的破坏阈值。两段慢波结构都设计为正弦型波纹,波纹半径按r w= r0+ r1sin( h0z )变化,其中r 0 为波纹平均半径,r 1 为波纹幅值,h0=2P/ d,d 是波纹周期。第一段波纹周期为1.3 cm,波纹幅值为0.23 cm;第二段波纹周期为1.4 cm,波纹幅值为0.3 cm。内导体平均半径为1.2 cm,外导体平均半径为3.0 cm。由慢波结构的几何参数计算出慢波结构的色散曲线,如图2 所示,色散曲线与电子Doppler 线的交点处的频率即为返波管理论上的工作频率,由图2(a) 可以读出在第一段慢波结构上电子Doppler 线与准TEM 模交点处的频率为9.4GHz,由图2 (b) 读出在第二段慢波结构上电子Doppler 线与准TEM 模的色散曲线交点处的频率为8.6 GHz,满足双频输出的设计要求。

慢波结构色散曲线与电子Doppler 线

图2 慢波结构色散曲线与电子Doppler 线

  两段慢波结构之间加漂移段,可以减小电子束的能量分散,有利于电子束在第二段慢波结构中的注波互作用。带第二类反射腔的同轴相对论返波振荡器结构如图3 所示。

结构模型

图3 结构模型

结论

  本文设计了两类新型同轴非对称反射腔,并将它们应用于双频、三频和四频的高功率微波输出模拟研究中。仿真结果表明,带有两类新型同轴反射腔的双频CRBWO 都实现了X 波段双频稳定输出,并且其实现双频输出的电压和磁场的稳定性要明显好于传统谐振腔双频返波管。采用第二类新型同轴反射腔,本文对多频CRBWO 进行了粒子模拟研究。在强流电子束电压480 kV,电流7.5 kA,磁场2.7 T的条件下,本文得到了稳定的三频、四频输出,其注波转换效率分别为15.3% 和13.9%,明显高于其他类型的多频高功率微波器件。

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