检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：陈代兵中国工程物理研究院

学位级别：博士

双频磁绝缘线振荡器(Bifrequency Magnetically Insulated Transmission LineOscillator,BFMILO)是一种低阻抗正交场高功率微波器件,它不仅具有磁绝缘线振荡器的优点,还具有能够稳定地同时输出两个频率的高功率微波(HPM)的特点,同时,能... 详细信息

双频磁绝缘线振荡器(Bifrequency Magnetically Insulated Transmission LineOscillator,BFMILO)是一种低阻抗正交场高功率微波器件,它不仅具有磁绝缘线振荡器的优点,还具有能够稳定地同时输出两个频率的高功率微波(HPM)的特点,同时,能够产生稳定输出的双频HPM器件是一个新兴的研究方向,将具有重要的学术价值和实际应用,目前尚未见到相关报道。因此,论文提出了BFMILO的设想,建立了BFMILO的模型,开展了理论分析、粒子模拟,优化设计出了L波段BFMILO,并开展了原理性实验研究,从理论和实验上验证了产生稳定输出双频率HPM的BFMILO的可行性。同时,论文还对BFMILO的相关技术以及其它双频及多频高功率微波器件进行了初步的研究。论文主要研究内容包括以下几个方面: 1.介绍了HPM研究背景,MILO的基本原理及国内外发展现状,进而阐述了BFMILO的研究意义。 2.提出了通过在旋转对称的常规单频率MILO内部设置谐振腔深度的角向分区来实现双频率HPM输出的思想,建立了BFMILO的物理模型,分析了BFMILO的工作原理和工作特点,开展了L波段BFMILO的设计;并采用数值计算的方法研究了L波段BFMILO的高频特性,得到了BFMILO的冷腔的谐振频率,场分布,Q值等信息,分析结果表明:谐振腔深度的角向分区分别对应着BFMILO的两个工作频率,角向分区的谐振腔可以分区工作。 3.采用三维粒子模拟程序对BFMILO进行了数值模拟研究与优化设计,研究了输出微波功率以及输出微波频率与输入电压的关系,以及微波的频谱特性;并研究了角向分区不同比例的BFMILO的微波产生特性,得到了热腔条件下的微波场分布,电子的相空图,输出微波的总功率和微波频率的变化等特性。在电子束电压为530 kV,电流为45.5 kA的条件下,所优化设计出的L波段BFMILO输出的双频微波信号频率分别为1.28GHz和1.50 GHz,周期平均功率约为2.65 GW,功率效率约为11%,两个频率谱的幅度相差约0.4 dB。粒子模拟研究进一步揭示了BFMILO内束-波互作用分区工作的规律。 4.开展了L波段BFMILO的实验研究,建立了L波段BFMILO的实验系统和测量系统,开展了二极管与阴极材料的发射特性研究,热测试了BFMILO的辐射方向图,通过辐射场功率密度积分得到了微波的总功率,首次得到了稳定的双频率的L波段BFMILO。在电子束电压约为420 kV,管电流约为34 kA的条件下,L波段BFMILO输出的双频HPM的频率分别为1.26GHz和1.45GHz,对应的微波功率分别为398MW和222MW。实验结果验证了BFMILO产生稳定的双频HPM的可行性,为双频HPM器件研究初步探索了一个新方向。 5.开展其它结构的双频和多频HPM器件的尝试性研究,进一步拓展了双频微波器件的研究内容。

关键词：高功率微波磁绝缘线振荡器双频磁绝缘线振荡器双频多频角向分区

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跨波段调谐磁绝缘线振荡器研究

跨波段调谐磁绝缘线振荡器研究

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作者：王晓玉国防科技大学

学位级别：博士

磁绝缘线振荡器（Magnetically Insulated Transmission Line Oscillator,MILO）是当今高峰值功率、无磁场、紧凑型窄带高功率微波（High-Power Microwave,HPM）产生器件的典型代表,也是当前高功率微波产生器件的研究热点之一。传统MIL... 详细信息

磁绝缘线振荡器（Magnetically Insulated Transmission Line Oscillator,MILO）是当今高峰值功率、无磁场、紧凑型窄带高功率微波（High-Power Microwave,HPM）产生器件的典型代表,也是当前高功率微波产生器件的研究热点之一。传统MILO输出的微波频率不可调节,属于典型的窄带高功率微波产生器件,随着MILO理论与应用研究的发展,大范围频率调谐已成为其重要发展方向之一。本课题提出一种跨波段（L、S波段）调谐磁绝缘线振荡器系统,该系统包括调谐MILO、调谐模式转换器和宽带辐射部件。论文的主要研究内容及创新点如下:1、MILO的理论研究论文系统阐述了MILO主慢波结构设计的基本原理和步骤,建立了一个频率为1.575 GHz的负载限制型MILO模型。以该模型为基础,分析了MILO的自磁绝缘、束波相互作用等工作特性。重点研究了MILO的调谐特性和功率效率;分析了调谐过程中微波频率、归一化相速度、模式分隔度、耦合阻抗等参数的变化规律;得到了在大范围调谐的同时,保证器件稳定工作且提高器件整体功率效率的调谐技术方案。该技术方案为:在传统MILO的基础上增加调谐机构来改变慢波结构的外半径,从而改变MILO产生的微波频率,构成一个跨波段调谐MILO。2、MILO的模拟研究通过设计和仿真优化,得到1.575 GHz的负载限制型MILO,并对本征模、品质因数、热腔特性等参数进行了分析。当工作电压为590 k V、输入电功率为29 GW时,微波输出功率为5.0 GW,频率为1.575 GHz,功率效率为17.2%。在相同的输入电参数下研究分析MILO的调谐特性和功率效率,调谐MILO的最高功率效率为20.1%,对应的输出功率为5.6 GW,微波频率为1.425 GHz。在该输入电参数下进行调谐,相应的3 d B频率调谐范围为0.85～2.12 GHz,调谐带宽为85.5%。提出了一种具有非均匀叶片的新型MILO模型。典型模拟结果为:当输入电压为586 k V、输入电功率为28.7 GW时,改变叶片外半径,非均匀新型MILO的最大功率效率达到22.0%,微波频率为1.42 GHz。在该输入电参数下进行调谐,相应的3d B频率调谐范围为0.95～2.05 GHz,调谐带宽为73.3%。提出了一种新型加脊MILO模型。通过对加脊SWS的慢波特性和色散特性进行物理分析和模拟仿真,证实该新型加脊MILO的脊结构可有效提高束波相互作用且不影响调谐特性。在外加电压为580 k V,输入电功率为30.0 GW时,得到工作频率为1.440 GHz、功率为7.1 GW的微波输出,功率效率为23.7%。在该输入电参数下进行调谐,相应的3 d B频率调谐范围为0.75～2.10 GHz,调谐带宽为94.7%。在外加电压为815 k V,输入电功率为59.5 GW时,得到工作频率为1.440GHz、功率为16.4 GW的微波输出,功率效率为27.6%。3、调谐模式转换器的仿真研究设计了调谐同轴插板式TEM-TE11模式转换器,工作频带范围为1.63～2.12GHz,相应的转换效率超过95%,带宽为26.1%。设计了径向折叠式TEM-线极化TE11宽带调谐模式转换器,它具有结构简单、调谐更方便、调谐带宽更宽、转换效率更高、匹配和调谐机构控制更精准、密封性更好等优点。通过调节调谐机构,在整个频带1.45～2.35 GHz范围内该模式转换器的转换效率都大于99%,调谐带宽为47.4%。4、调谐MILO系统的实验研究在调谐径向折叠式TEM-线极化TE11模式转换器的低功率实验中,该调谐模式转换器可以有效地将同轴波导TEM模转换为圆波导线极化TE11模,在频率1.55～2.35 GHz范围内转换效率达到99%以上。仿真与实验的方向图具有较好的一致性,说明没有杂模产生。在传统调谐MILO系统的高功率实验中,当二极管电压、脉冲宽度和电流分别为486 k V、90 ns和51 k A时,该系统的最大输出功率为3.7 GW,相应的功率效率为14.8%,微波脉冲宽度为29 ns。在该输入电参数下进行调谐,相应的3d B频率调谐范围为1.552～2.168 GHz,调谐带宽为33.1%。在加脊调谐MILO系统的高功率实验中,当二极管电压、脉冲宽度和电流分别为510 k V、90 ns和49 k A时,该系统的最大输出功率为4.3 GW,相应的功率效率为16.8%,微波脉冲宽度为43 ns。在该输入电参数下进行调谐,相应的3d B频率调谐范围为1.536～2.100 GHz,调谐带宽为31.0%。

关键词：高功率微波磁绝缘线振荡器模式转换器调谐

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Ku波段磁绝缘线振荡器研究

Ku波段磁绝缘线振荡器研究

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作者：江涛国防科学技术大学

学位级别：博士

磁绝缘线振荡器（Magnetically Insulated Transmission Line Oscillator,MILO）是一种产生GW级高功率微波辐射的正交场器件,其工作不需要外加磁场,因此MILO具有结构紧凑、重量轻的优点。由于通讯、雷达、遥感等众多领域对Ku波段高功率... 详细信息

磁绝缘线振荡器（Magnetically Insulated Transmission Line Oscillator,MILO）是一种产生GW级高功率微波辐射的正交场器件,其工作不需要外加磁场,因此MILO具有结构紧凑、重量轻的优点。由于通讯、雷达、遥感等众多领域对Ku波段高功率微波潜在的应用需求,Ku波段高功率微波源技术的研究成为了当前高功率微波领域的研究热点之一。基于此背景,本文在对低频段MILO调研的基础上提出了一种Ku波段MILO,并对其开展了理论、模拟及实验研究。论文研究的主要内容包括以下几个方面。首先,对Ku波段MILO进行了理论分析及物理设计。利用高频电磁场仿真软件计算了Ku波段MILO主慢波结构的色散曲线,其TM01模的π模频率为12.7 GHz,电子束线与TM01模交于12.45 GHz,说明器件能工作在TM01模的近π点。计算了8腔闭腔慢波结构的本征模,其中TM01模的π模频率为12.64 GHz,与色散关系分析结果一致。研究了Ku波段MILO整体结构的谐振特性,其主要谐振频率为12.4GHz,场分布对应于TM01模的π模,其它谐振模式被有效地抑制。理论分析了MILO的工作频率、阻抗、B-H和Hull截止条件、效率、电子漂移速度、模式间隔度及MILO的平板电极模型中的单个电子运动轨迹等工作特性,并给出了Ku波段MILO相应的物理设计结果。其次,对Ku波段MILO进行了结构设计。优化设计了阴极结构,当阴极起始点位置相对第一个扼流叶片前移1.5cm时和阴极右端点位置相对第一个提取腔叶片前移2cm时,器件能实现较快的微波起振和较高的微波功率输出。研究了不同慢波结构腔数对Ku波段MILO性能的影响,结果表明采用8腔慢波结构时,器件的微波输出功率和效率较高,微波起振和饱和较快,且没有模式竞争。设计了限制型负载结构,通过增大负载阴极长度及负载阴阳极间距以减小负载阴极发射的电流密度,避免负载阴阳极烧蚀。优化设计了三腔提取腔结构,与单腔、双腔及四腔提取腔结构相比,三腔提取腔结构能充分地提取慢波结构中产生的微波功率,进而有助于降低慢波结构的射频场;对同轴输出结构进行了设计,当内导体半径增大到39mm时,同轴波导能截止TM01模,从而使得器件能高效地输出纯TEM模微波。再次,采用粒子模拟方法研究了Ku波段MILO产生微波的物理过程。建立了Ku波段MILO的基本模型,给出了其工作过程中的电子群聚、输出微波功率、频谱、电场分布等物理图像,并进行了物理分析。典型的粒子模拟结果表明:在输入电压476 kV,电流42 kA的条件下,器件获得功率1.7 GW,频率为12.3 GHz的Ku波段高功率微波输出,其束波转换效率约8.5%,最大表面电场约1.5 MV/cm,工作模式为TM01模的近π模。然后,在低阻加速器平台上开展了Ku波段MILO器件的实验研究。对实验中相关参数的测量方法进行了系统地介绍,并给出了实验中用到的各元器件的标定方法及标定结果。在实验室低阻加速器平台上开展了Ku波段MILO的高功率微波实验。实验结果表明,在二极管电压505 kV,电流47.5 kA的条件下,该器件产生了1.05 GW的高功率微波辐射,频率12.35 GHz,脉宽约33 ns,功率转换效率约4%。测量了微波辐射的方向图,与模拟结果一致,说明了器件的工作模式为TM01模。对器件内部产生的非对称竞争模式进行了分析,结合慢波结构的色散曲线、及荧光灯管成像等实验现象,判断了该非对称竞争模式为HEM11模,通过精确调节同心,改善阴极发射均匀性等措施有效地抑制了非对称模式竞争。最后,提出了一种Ku波段MILO的改进结构,并对其开展了理论及实验研究。通过引入阶梯扼流腔结构及增大的第一互作用腔结构,器件的最大轴向射频场从1.2 MV/cm降低到了1 MV/cm,有效地提高了器件的功率容量;阴极发射电流密度减小了13%,延长了阴极寿命;器件的起振和饱和时间分别减小了2.5 ns和5.5ns。实验中,在二极管电压515 kV,电流48 kA的条件下,器件输出微波功率约1.4 GW,频率为12.36 GHz,脉宽约32 ns,效率约5.6%。实验结果表明改进结构有效地改善了微波输出功率和效率。

关键词：高功率微波 Ku波段磁绝缘线振荡器过模慢波结构三腔提取腔增大的第一互作用腔阶梯扼流腔模式间隔度电子漂移速度平板电极模型限制型负载

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磁绝缘线振荡器的三维粒子模拟

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真空电子技术 2006年第3期19卷 21-23页

作者：彭天柱祝大军刘盛纲电子科技大学物理电子学院四川成都610054

用三维MAGIC数值模拟软件对一种特殊结构的磁绝缘线振荡器进行模拟,在二极管电压为506 kV、电流为56 kA时,在L波段获得了平均输出功率为2.78 GW、工作主频为1.16 GHz的微波输出,平均转换效率为9.8%,并研究了一些参数变化对微波输出的影响。

关键词：高功率微波磁绝缘线振荡器三维PIC粒子模拟

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磁绝缘线振荡器的阴极设计

磁绝缘线振荡器的阴极设计

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四川省电子学会高能电子学专业委员会第五届学术交流会

作者：郭焱华范植开何琥陈代兵王冬中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳 621900

目前实验和粒子模拟研究表明,磁绝缘线振荡器内形成的等离子体影响了输出微波功率和脉宽。本文研究了MILO中因阴极发射面两端发射高密度的电子束而形成的等离子体,等离子体对束-波互作用的影响。采用在阴极发射面两端加圆环控制电子束... 详细信息

目前实验和粒子模拟研究表明,磁绝缘线振荡器内形成的等离子体影响了输出微波功率和脉宽。本文研究了MILO中因阴极发射面两端发射高密度的电子束而形成的等离子体,等离子体对束-波互作用的影响。采用在阴极发射面两端加圆环控制电子束的发射密度,来减少器件内等离子体的密度,提高微波输出功率和脉宽。

关键词：磁绝缘线振荡器等离子体高功率微波阴极设计粒子模拟微波功率

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磁绝缘线振荡器谐振腔的高频特性

磁绝缘线振荡器谐振腔的高频特性

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作者：郭焱华范植开何琥陈代兵

利用数值方法计算了磁绝缘线振荡器(MILO)主慢波结构谐振腔和扼流腔的谐振频率和场分布,得出慢波结构谐振腔谐振频率的一些变化规律:随着叶片内半径的增大、叶片外半径的减小、叶片周期的减小以及叶片间距的减小,谐振腔TM01模式截止频... 详细信息

利用数值方法计算了磁绝缘线振荡器(MILO)主慢波结构谐振腔和扼流腔的谐振频率和场分布,得出慢波结构谐振腔谐振频率的一些变化规律:随着叶片内半径的增大、叶片外半径的减小、叶片周期的减小以及叶片间距的减小,谐振腔TM01模式截止频率升高;而阴极半径的变化对截止频率几乎无影响。当主慢波

关键词：磁绝缘线振荡器高频特性慢波结构

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S波段磁绝缘线振荡器的理论研究

S波段磁绝缘线振荡器的理论研究

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作者：彭天柱电子科技大学

学位级别：硕士

磁绝缘线振荡器(MILO)是一种吉瓦级同轴正交场器件，与线性磁控管相似。主要优点在于它的直流磁场是由管子内部电流提供，不需要外加磁场，使得MILO结构紧凑，重量轻，可以在低阻抗下工作。这种自绝缘特性使得它可以在输入非常高的电压... 详细信息

磁绝缘线振荡器(MILO)是一种吉瓦级同轴正交场器件，与线性磁控管相似。主要优点在于它的直流磁场是由管子内部电流提供，不需要外加磁场，使得MILO结构紧凑，重量轻，可以在低阻抗下工作。这种自绝缘特性使得它可以在输入非常高的电压(数百千伏)和电功率(数十吉瓦)下工作而阴阳极之间不产生击穿，因此MILO是一种很有吸引力的高功率微波源。本文从MILO的同轴慢波结构色散特性、谐振腔高频特性和粒子模拟三个方面对S波段MILO进行了研究。本论文的主要内容如下：一、对国内外MILO的总体研究进展进行了分析、综述。对MILO的工作原理进行了介绍。二、推导MILO无限长同轴慢波结构TM场的色散方程，通过编程计算研究了S波段MILO的色散关系，得出了慢波结构参数对器件频率影响的规律。三、通过模拟计算对S波段MILO的同轴慢波结构谐振腔、MILO的封闭腔和开放腔等高频特性也进行了研究。四、通过大量的粒子模拟，对S波段的MILO进行了优化设计，在输入电压450kV、总电流40.1kA的条件下，得到频率为2.42GHz、平均功率为1.80GW的微波输出，功率转换效率为10.0％。研究了S波段MILO中各参数对微波输出功率、微波频率和功率转换效率的影响，并在此基础上对三种改进型MILO进行了模拟和优化，使得在频率变化很小的情况下，起振时间都有所减小，输出功率和转换效率都得到了提高。第一种MILO结构在输入电压为450kV、总电流42.0kA的条件下输出微波平均功率为2.35GW，功率转换效率为12.4％，频率为2.41GHz；第二种MILO结构在输入电压为450kV、总电流41.8kA的条件下输出微波平均功率为2.20GW，功率转换效率为11.7％，频率为2.41GHz；第三种MILO结构在输入电压为450kV、总电流42.1kA的条件下输出微波平均功率为2.25GW，功率转换效率为11.9％，频率为2.41GHz。

关键词：高功率微波磁绝缘线振荡器慢波结构高频场 PIC粒子模拟

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Ku波段磁绝缘线振荡器研究

Ku波段磁绝缘线振荡器研究

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作者：江涛国防科学技术大学

学位级别：硕士

磁绝缘线振荡器（Magnetically Insulated transmission Line Oscillator，MILO）是一种产生GW级高功率微波的正交场器件，是当前高功率微波研究领域的主要热点之一。目前，MILO研究主要集中在L、S、C等较低的微波频段。本文在对传统MIL... 详细信息

磁绝缘线振荡器（Magnetically Insulated transmission Line Oscillator，MILO）是一种产生GW级高功率微波的正交场器件，是当前高功率微波研究领域的主要热点之一。目前，MILO研究主要集中在L、S、C等较低的微波频段。本文在对传统MILO调研研究的基础上设计了一种工作于Ku波段的改进型MILO。论文主要从以下几个方面对Ku波段MILO展开了研究，得到了一些合理而有价值的结果。 1．对MILO进行了系统的理论研究。初步分析了MILO的工作原理，简单介绍了MILO中微波的产生、放大、提取机制。研究了MILO的色散关系，MILO工作于色散曲线后半区的近π模点。根据色散曲线研究了MILO各个结构参数的变化对π模频率的影响。设计了Ku波段MILO主慢波工作区的结构，根据电流密度和功率容量要求选择了过模结构，初步确定了结构参数。设计了Ku波段MILO的整体结构，与传统MILO相比，主要改进有：用扼流片代替扼流腔，防止微波向前泄漏；采用双腔提取结构，改善提取特性。另外，还研究了MILO的阻抗，电流，功率和效率等参数的特性。 2．开展了Ku波段MILO的模拟研究。重点研究了MILO各个参数对于微波输出功率、转换效率、工作频率、阻抗等性能的影响，总结了MILO设计和优化的一些基本规律。优化后的结构在输入电压510kV、输入电流55.7kA的条件下，得到4.1GW的微波输出，微波频率约为13.2GHz，效率约为14.4%。对Ku波段MILO进行了高频特性分析，得到主慢波结构的工作点为13.24GHz，是近π模点。进一步模拟得到了开腔谐振频率为13.3GHz，验证了色散关系分析、高频特性分析以及模拟结果的正确性。模拟得到了提取品质因数为106，与传统的经典MILO的品质因数相当。 3．设计了Ku波段MILO的模式转换器结构。对Ku波段MILO提取区同轴结构进行了模式的理论分析及数值计算；提出了支撑杆的设计方案；设计并优化了模式转换器的支撑杆及圆台结构。模拟得到支撑杆段实现TEM模传输系数约99.9%；模式转换器圆台实现TM01模的转换效率达到98.6%；整个模式转换器结构实现TM01模转换效率98.2%，功率容量约2GW。

关键词：磁绝缘线振荡器高功率微波正交场器件粒子模拟慢波结构扼流片双腔提取支撑杆模式转换器

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P波段磁绝缘线振荡器（MILO）的研究

P波段磁绝缘线振荡器（MILO）的研究

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作者：靳振兴国防科学技术大学

学位级别：硕士

磁绝缘线振荡器(MILO)是一种同轴正交场器件,它具有高功率、较高效率、结构简单、不需外加磁场、阻抗低、单频性好等许多优点,具有非常重要的应用前景。目前,国内外对MILO的研究工作多集中在L波段和C波段,且实验也已获得了GW级的高功率... 详细信息

磁绝缘线振荡器(MILO)是一种同轴正交场器件,它具有高功率、较高效率、结构简单、不需外加磁场、阻抗低、单频性好等许多优点,具有非常重要的应用前景。目前,国内外对MILO的研究工作多集中在L波段和C波段,且实验也已获得了GW级的高功率微波输出,但对于1GHz以下的P波段MILO还未见到相关的报道,而工作在P波段的高功率微波源仍然有它潜在的国防和工业应用前景,有必要进行深入的研究。本文对工作在小于1GHz的P波段MILO从初步理论分析、粒子模拟、实验设计三个方面开展了研究,得到一些有意义的结果。在理论研究中,本文根据MILO同轴慢波结构中TM模色散方程,通过编程求解得到了在一定结构参数条件下的MILO同轴慢波结构中TM模的色散曲线,从而得到了能够工作在P波段频带范围内的MILO器件慢波结构的近似尺寸,为P波段MILO的粒子模拟研究和优化设计提供了初始结构参数。在模拟研究中,采用2.5维全电磁粒子模拟软件对四种工作在P波段MILO器件进行了粒子模拟。(1)我们以负载限制型MILO为模型研究了P波段MILO的几何结构参数及电子束参数对其工作特性的影响,得到了许多有用的规律性认识;(2)通过调整各项参数进行模拟优化,所设计的P波段负载限制型MILO获得了较好的微波输出:在外加工作电压为540kV,二极管电流为56kA的条件下,获得频率为640MHz,平均功率5.17GW,束波转换效率17%的模拟结果。器件结纵向长度为42cm,直径约为44cm;(3)对结构较紧凑的P波段负载限制型MILO进行了粒子模拟,器件中仅含有五根慢波叶片,其中只使用了一根扼流叶片,但作用明显,在外加工作电压为550kV,二极管电流为57kA的条件下,获得频率为640MHz,平均功率5.46GW,束波转换效率17.4%的模拟结果;(4)对工作在P波段的渐变型MILO进行了粒子模拟,在外加工作电压为550kV,二极管电流为57kA的条件下,获得频率为640MHz,平均功率6GW,束波转换效率19.1%的高功率微波输出;(5)结合负载限制型MILO和渐变型MILO的优点,提出了混合型MILO的想法,在外加工作电压为550kV,二极管电流为57kA的条件下,获得频率为640MHz,平均功率4.27GW,束波转换效率13.6%的高功率微波输出。在系统的实验设计中,主要从器件与实验室现有加速器匹配、辐射系统设计及器件工程设计三方面进行。利用高频场分析软件完成了该器件的辐射系统设计,该辐射系统完成了TEM模到TM01模的模式转换、辐射波导与空间的匹配辐射、内导体的机械支撑、以及内外导体的金属连接等功能,且辐射系统的效率大于95%。最终,参考粒子模拟结果和辐射系统设计完成了对P波段负载限制型MILO器件的工程设计。这些研究成果对今后开展P波段MILO的实验研究具有一定的参考意义。

关键词：磁绝缘线振荡器高功率微波 PIC粒子模拟慢波结构

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高功率磁绝缘线振荡器研究

高功率磁绝缘线振荡器研究

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作者：秦奋中国工程物理研究院

学位级别：硕士

磁绝缘线振荡器（MILO,Magnetically Insulated Transmission Line Oscillator）是一种GW级的低阻抗正交场振荡器（crossed-field oscillator）。它不需要外加磁场,其内部产生的直流磁场阻止电子从阴极发射到阳极。这种自绝缘机制杜绝... 详细信息

磁绝缘线振荡器（MILO,Magnetically Insulated Transmission Line Oscillator）是一种GW级的低阻抗正交场振荡器（crossed-field oscillator）。它不需要外加磁场,其内部产生的直流磁场阻止电子从阴极发射到阳极。这种自绝缘机制杜绝了阴阳极间的电子击穿,允许较高的外加电压和较高的输入功率。由于无需外加引导磁场,使得MILO在器件小型化、结构紧凑化等方面具有得天独厚的优势。MILO成为目前高功率微波器件研究的热点之一。本论文从MILO工作原理入手进行理论分析,对MILO的高功率运行进行了数值模拟和实验研究。本文研究内容主要包括以下几个方面: 1.介绍了高功率微波源研究背景,对MILO发展的历史作了简要回顾。阐述了目前国内外MILO研究的现状与未来趋势并简要说明了MILO的基本工作原理。 2.从MILO工作原理入手,分析器件中束波作用机理。根据MILO的工作特性进行理论分析,总结出了MILO设计时各个参数的选取方法。 3.对L波段高功率MILO进行数值模拟以及实验研究。对已有L波段阶梯阴极型MILO进行模拟优化,在输入电压568 kV,电流53.3 kA的条件下,得到5.5 GW的微波输出,工作频率1.2 GHz,功率转换效率为18.2%。开展了高功率MILO的实验研究。首先介绍了L波段高功率MILO的实验研究。典型实验结果为在工作电压675 kV,电流59 kA条件下输出微波功率2.59 GW,频率为1.23GHz,功率转换效率6.5%,微波脉宽15 ns。实验测得微波功率偏小,脉宽相对绞窄。分析了天线功率容量不足是导致输出微波功率偏小以及脉宽较窄的主要原因,设计出了满足高功率MILO功率容量要求的TEM-TM01模式转换器及辐射系统并加以实验验证,最终得到了大于3 GW,脉宽约50ns的高功率微波输出。 4.提出了一种四腔阶梯阴极型MILO并进行了初步研究。先对L波段四腔阶梯阴极型MILO进行了数值模拟研究,结果显示该器件功率转换效率较高:在束压667 kV的条件下能得到高于20%的功率转换效率。其后对该器件的初步实验研究结果进行了简要介绍。初步实验结果表明,四腔阶梯阴极型MILO能单频稳定工作在基模。最后还模拟研究了P波段的四腔阶梯阴极型MILO,工作频率为0.87 GHz。在束压596 kV束流50 kA的条件下,平均输出功率为5.6 GW,转换效率为18.7%。

关键词：高功率微波磁绝缘线振荡器粒子模拟

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