1 模型设计与分析
同轴RBWO的结构如图1所示,它由导引磁场螺线管、无箔二极管阳极、阴极、准直孔、慢波结构、内导体及同轴引出电子束结构等组成。器件设计采用同轴引出电子束结构和变波纹深度慢波结构来实现器件的小型化和高效运行。
1.1 同轴引出电子束结构的作用
同轴引出结构有利于提高各纵模、尤其是类π模的Q值,故可在周期数较少的情况下实现高效的单频振荡,进而缩短器件轴向长度。
非同轴慢波结构器件中残余电子是打到输出波导壁上被吸收的,产生二次电子是微波脉冲变短的原因之一,且电子束被收集前的径向扩散,不利于后续电子与微波交换能量。而同轴引出电子束结构中,电子束收集与微波提取分离开来,有利于实现长脉冲,且电子束被收集前仍具有良好的调制,有利于后续的电子与微波能量交换,提高束-波转换效率。
1.2 变波纹深度同轴慢波结构的作用
研究表明[12],同轴慢波结构对最低阶模式没有截止频率,可使器件工作在最低模式,在慢波作用区半径不大的情况下较容易实现L,P等低频段微波的输出。
由于同轴波导中薄环形电子束的空间电荷限制流高于普通圆波导的空间电荷限制流[10],同轴器件中的电子束具有相对高的动能,有利于获得高效率。此外,可通过增加慢波结构后段波纹的深度来实现在电子减速区增加电子与微波的耦合阻抗。这样当电子在引导磁场作用下沿轴向传播时,电子束与慢波结构壁之间的径向间隙将有效缩短,束波之间的耦合得以增强,有利于提高效率。
我们采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序分析了器件中电子束的传输及束-波相互作用的物理过程,并进行电磁结构优化。图2给出了粒子模拟结构示意图。器件的最大径向半径5.0 cm,采用变波纹深度结构[14-15],共有5个慢波结构,前3个慢波结构深度为0.9 cm,后2个慢波结构深度为1.0 cm,慢波结构区的内导体半径1.0 cm。在模拟过程中,使用无箔二极管自洽发射电子束,电子束的能量为700 keV,电流为10 kA。外加磁场使用线圈结构,在器件的轴线上产生1.0 T的磁场,用于引导电子束的运动。在器件的终端使用吸收介质作为粒子模拟的边界条件。
2 模拟结果与分析
2.1 慢波区微波频率及模式
图3为在慢波作用区监测到的电磁场量信息,其中图3(a)为慢波作用区内某一点的电场随时间的变化情况,其中轴向电场Ez、径向电场Er为主要分量,角向电场Eθ较小,几乎为零;图3(b)为磁场随时间的变化情况,其中角向磁场Bθ为主要分量,轴向磁场Bz、径向磁场Br较小,几乎为零。可以初步判断慢波作用区的电磁场模式为TM0n模。由图3(c)所示的慢波区3处轴向电场沿径向的变化趋势,可进一步确定为同轴TM01模。由图3(d)所示电场的频谱图可知:输出微波的频率比较单一,约为1.62 GHz。
2.2 输出微波频率及模式
图4为在输出波导处监测到的电磁场量信息,其中图4(a)为输出口的电场随时间的变化情况,图4(b)为其频谱图，其中径向电场Er为主要分量,轴向电场Ez、角向电场Eθ较小,几乎为零。由图4(b)可见:微波频率约为1.62 GHz。图4(c)为输出口的磁场随时间的变化图,其中角向磁场Bθ为主要分量,轴向磁场Bz、径向磁场Br较小,几乎为零。因此,可以判断在输出口处,微波已经从同轴慢波结构的TM01模式转化为同轴结构的TEM波。
2.3 典型结果
粒子模拟结果表明:在电子束能量为700 keV,电流为10 kA,工作磁场为1.0 T时,L波段同轴返波振荡器有较高功率的微波输出。采用理想电压方波,上升沿为1 ns,微波的输出功率由输出口截面坡印亭矢量面积分得到。图4(d)给出了输出功率随时间的变化图,可以看到输出功率在20 ns处开始饱和,饱和后平均峰值功率约为2.2 GW,见图4(e),平均峰值效率约为30%。图4(f)为输出口的功率频谱图,从中可以看出输出微波的频率比较单一,为1.62 GHz。
3 影响器件性能的因素
我们模拟了二极管电压、导引磁场对器件产生微波频率、束-波转换效率的影响。
3.1 二极管电压的影响分析
图5为二极管电压为600~800 kV时,模拟获得的输出微波频率及效率的变化情况。由图5(a)可知:输出微波频基本不变。这与器件工作在模附近时,色散特性对电压参数不是很敏感有关,可根据需求在620~800 kV范围内对二极管电压进行调节。
图5(b)表明:在600~700 kV范围内,随着电子束能量的增大,束-波作用增强,微波输出效率提高。当电子束能量增大到一定数值后,束-波作用机制发生变化,器件将不再工作在返波状态,因此微波输出效率下降。由于效率均高于20%,表明器件对二极管电压不是很敏感,这有利于在实验中对电压参数进行调节。
3.2 导引磁场的影响分析
图6为输出微波频率和平均效率随导引磁场的变化情况。图6(a)给出了磁场大小为0.2~1.6 T时,输出微波频率随导引磁场的变化情况。可以看到:当导引磁场大于0.7 T时,输出微波频率基本稳定,约为1.62 GHz。
图6(b)给出了微波平均输出效率随导引磁场的变化情况。可以看出:当外加磁场小于1.0 T时,微波输出效率随着导引磁场的增大而提高;当外加磁场大于1.0T时,微波输出效率趋于稳定。这是因为磁场较小时,电子束得不到很好的控制,质量较差,随着导引磁场强度的增大,电子束质量逐渐提高,束-波相互作用加强;当磁场增大到可以完全控制电子束后,电子束的质量不再随着磁场强度的增大而提高,束-波相互作用也得不到加强,输出微波效率基本稳定不变。
4 结 论
本文设计了一种L波段同轴引出电子束结构RBWO,采用PIC模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。该器件不是单纯根据频率改变尺寸,进行缩比设计,而是包含以下设计思想:利用同轴慢波结构对最低阶模式没有截止频率的特点,可使器件工作在最低模式,实现横向选模,减小径向尺寸;采用同轴引出结构实现纵向模式选择,可在周期数较少(5个)的情况下实现高效的单频振荡,进而缩短器件轴向长度。此外,同轴引出电子束结构的引入,避免残余电子打到输出波导壁上,不但可以减小残余电子从输出微波中吸收能量,而且有助于削弱输出微波脉冲缩短现象,而且改变了终端反射条件,在参数选择适当的条件下,可以得到高的产生效率。经优化后,在电子束能量700 keV、电子束流10 kA、导引磁场为1.0 T时,器件获得1.62 GHz的微波输出,饱和后微波输出的平均功率达2.2 GW,平均效率约为30%,而器件最大径向半径仅为5.0 cm。
参考文献:
[1] Kitsanov S A, Klimov A I, Korovin S D,et al. Decimeter-wave resonant relativistic BWO[J].Radio Physics and Quantum ElectroNIcs,2003,46(10):797-801.
[2] Korovin S D, Rostov V V, Totmeninov E M. Studies of relativistic backward wave oscillator with low magnetic field[C]//Proc of 3rd IEEEInternational Vacuum Electronics Conference.2002: 53-54.
[3] 周传明,刘国治,刘永贵,等.高功率微波源[M].北京:原子能出版社,2007:47. (Zhou Chuanming, Liu Guozhi, Liu Yonggui, et al.High power microwave sources. Beijing: Atomic Energy Press,2007:47)
[4] 钱宝良.具有等离子体背景或介质衬套的返波管[D].北京:清华大学,1996. (Qian Baoliang. Plasma or dielectric loaded backward wave os-cillator. Beijing: Tsinghua University,1996)
[5] 范菊平,刘国治,陈昌华,等.带有反射腔的相对论返波管的数值模拟[J].强激光与粒子束,2002,14(1):103-106. (Fan Juping, LiuGuozhi, Chen Changhua,et al. Numeric study of relativistic backward wave oscillator with resonant reflector.HighPower Laser and Parti-cle Beams,2002,14(1): 103-106)
[6] Gunin A V, Klimov A I, Korovin S D, et al. Relativistic X-band BWO with 3-GW output power[J].IEEETrans Plasma Sci,1998,26(3):326-331.
[7] Wen Guangjun, Li Jiayin, Wang Huajun,et al. Design and magic simulations from a X-band coaxial relativistic backward wave oscillator[C]//Microwave and Millimeter Wave Technology Proceedings.1998:531-534.
[8] 文光俊,李家胤,谢甫珍,等.同轴型相对论返波管的粒子模拟研究[J].电子学报,1999,27(12):132-134. (Wen Guangjun, Li Jiayin, XieFuzhen, et al. The study of a coaxial relativistic backward wave oscillator by particle-in-cell method.Acta Electronica Sinica,1999,27(12):132-134)
[9] 郭军,鄢扬,蒙林.同轴波纹返波管色散特性研究及粒子模拟[J].强激光与粒子束,2006,18(7):1139-1143. (Guo Jun, Yan Yang, MengLin. Backward wave oscillators with coaxial structure: dispersion characteristics and PIC simulation.HighPower Laser and Particle Beams,2006,18(7):1139-1143)
[10] 肖仁珍,刘国治,林郁正,等.同轴慢波结构相对论高功率微波产生器初步实验研究[J].强激光与粒子束,2006,18(5):839-842. (Xiao Re-nzhen, Liu Guozhi, Lin Yuzheng, et al. Preliminary experimental research on relativistic high power microwave generator with coaxial slowwave structure.High Power Laser and Particle Beams,2006,18(5):839-842)
[11] 牛洪昌.紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的研究[D].长沙:国防科学技术大学,2005. (Niu Hongchang. Investigations of a comPACt L-band coaxial relativistic backward wave oscillator. Changsha: National University of Defense Technology,2005)
[12] 刘国治,陈昌华,张玉龙.同轴引出相对论返波管[J].强激光与粒子束,2001,13(4):467-470. (Liu Guozhi, Chen Changhua, Zhang Yu-long. Relativistic backward-wave oscillator with coaxial extractor.High Power Laser and Particle Beams,2001,13(4):467-470)
[13] Hahn K, Schamiloglu E. Long-pulse relativistic backward wave oscillator operation utilizing a disk cathode[C]//IEEE Pulsed Power Plas-ma Science.2001,2:1618-1621.
[14] Moreland L D, Schamiloglu F, Lemke W,et al.Efficiency enhancement of high power vacuum BWO’s using nonuniform slow wave struc-ture[J].IEEE Trans Plasma Sci,1994,22(5):554-565.
[15] 文光俊,李天明,李家胤,等.变阻抗相对论返波管的研究[J].红外与毫米波学报,2002,21(2):151-155. (Wen Guangjun, Li Tianming, LiJiayin,et al. Relativistic backward oscillator with variable couple impedance.Journal of Infrared and Millimeter Waves,2002,21(2):151-155)
基金项目:国家高技术发展计划项目
作者简介:葛行军(1982—),男,博士研究生,主要从事高功率微波技术研究; gexingjun230230@yahoo.com.cn。
