充中性气体相对论返波振荡器的粒子模拟研究
紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的粒子模拟
率微 波 输 出 。
１ 模 型 设 计 与 分 析
相 对论 返波 振荡 器利 用 电子 束 与慢 波 结构 中的具 有 负群 速度 的返 波 同 步相 互作 用 产 生微 波输 出 。为 了实 现 器件 结 构 的紧凑 和小 型化 ， 们采 用 同轴 慢 波 结 构实 现 Ｌ波 段 返 波 振荡 器 的 微 波输 出 ， 化后 器 件 的最 大 我 优
平 均 峰值 功 率效 率 约 为 ３ 。 ２ 关 键 词 ： 高 功 率 微 波 ； 同轴 返 波 振 荡 器 ； Ｌ波 段 ｉ 粒 子 模 拟 中 图 分 类 号 ： ＴＮ １ ２ 文 献 标识 码 ： Ａ
相对 论返 波 振荡器 是 极具 发展 前 途 的高 功率微 波 源之 一 ， 有 结构 紧 凑 、 率 高 和运 行稳 定 等特 点 。为 了 具 效 进 一步 提 高返波 振荡 器 的性 能 ， 们提 出 了各 种 改 进 方案 ， 等离 子 体 或 电介 质 衬套 加 载 的 相对 论 返 波 振 荡 人 如
的小型 化 问题 。若采 用非 同轴 相对 论 返 波 振 荡 器 实现 Ｌ波 段 的微 波输 出 ， 慢 波 结 构 需要 很 大 的平 均半 径 ， 则
增 大 了导 引磁场 系统 的体 积 和质 量 ， 给器 件 的小型 化带 来 了很 大 的 困难 。研 究 表 明 ： 这 同轴 相对 论返 波 振荡 器 可 以在 相互 作用 区半径 较 小 的情况 下 较 容 易 地 实 现 Ｌ波 段 的微 波 输 出 ， 对 研 制质 量 轻 、 积 小 的 紧 凑 型 Ｌ 这 体 波段 返 波振 荡器 具有 重要 的实际 意 义 。文献 Ｅ２１］ 同轴相 对 论返 波 振荡 器进 行 了研 究 ， 其 主 要 内容 注 重 １ ５对 但 于 大尺 寸 ｘ波段 返 波振荡 器 。本 文通 过 粒 子模 拟研究 了 Ｌ波段 同轴 相 对 论 返 波 振荡 器束一 互 作 用 的物 理 过 波 程 ， 器件 的 电磁 结构进 行 了改进 ， 中 等能 量 和 较低 束 流 的 电子束 来 实 现 小 型化 Ｌ波段 返 波振 荡 器 的高 功 对 用
充中性气体相对论返波振荡器的粒子模拟研究
摘
要 ： 用 Ｉｃ 粒 子 模 拟 方 法 研 究 了充 中 性 气 体 相 对 论 返 波 管 的 物 理 机 制 ． 功 模 拟 了 电 子 束 碰 撞 充 人 Ｉ 成
返 波 管 中 的 中 性 气 体 电 离 产 生 等 离 子 体 的 过 程 ． 电 子 束 传 输 的 路 径 上 形 成 离 子 通 道 ， 效 中 和 电 子 束 径 向 空 在 有 间 电 荷 力 ． 利 于 电 子 束 的传 输 及 束 波 相 互 作 用 产 生 微 波 。增 加 中 性 气 体 密 度 ． 波 管 的 输 出 频 率 明 显 上 移 ． 有 返 其 辐 射 的 功 率 和 效 率 比相 同 的 真 空 器 件 也 有 明显 的 提 高 。 关 键 词 ： 充 中 性 气 体 返 波 管 ；粒 子 模 拟 ；功 率 ；转 换 效 率 ；频 率
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第 ｌ ４卷 第 ５期 ２０ ０ ２年 ９月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡ Ｒ ＣＩＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ Ｇ ＦＩ
Ｖ ｏ１ ４． Ｏ． ．１ Ｎ ５ Ｓｅｐ ２００ ．． ２
有 两 种 ， 种 是 向 波 导 管 中注 入 等离 子 体 ， 一 种 是 利 用 电 子 束 与 中性 气 体 的 碰 撞 电 离 产 生 等 离 子 体 ， 者 一 另 后
在 实 验 中 比较 容 易 实 现 ， 是 一 种 比较 有 效 的 方 法 ： 也 。基 于 这 样 的 考 虑 ， 文 用 Ｐ Ｃ粒 子 模 拟 方 法 ， 功 模 拟 本 Ｉ 成 了返 波 管 中等 离 子 体 的 形 成 过 程 以及 对 微 波 输 出 的影 响 ； 明 了等 离 子 体 及 离 子 通 道 的 形 成 完 全 是 由 电 子 束 表
同轴结构多频相对论返波管的粒子模拟
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯ Ｗ ＥＲ ＩＡ Ｓ Ｇ ＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡ ＲＴ Ｉ ＣＩＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖｏ１ ２ ． ３。ＮＯ ４ ．
八 【 ．， ２ １ ｊ ｒ ０１
文 章 编 号 ： １ ０ — ３ ２ ２ １ ） ４１ ３ ５ ０ １４ ２ （ ０ １ ０ —０ ０ ０
摘 要 ： 提 出 由双 电子 注 同 轴 相 对 论 返 波 管 产 生 双 频 的 设 想 ， 用 ２５维 相 对 沦全 电磁 Ｐ Ｃ粒 子 模 拟 软 采 ． Ｉ 件 ， 行 了 粒 子 模 拟 研 究 。结 果 表 明 ， 环 形 相 对论 电 子 注 电压 ６５ｋ 电 流 ２ Ａ， 导 磁 场 ０ ７ ２Ｔ 的条 件 进 在 ２ Ｖ， ４ｋ 引 ．７ 下 ， 件 得 到 了 稳 定 的 高 功 率 双 频 微 波 输 出 。其 双 频 微 波 频 率 分 别 为 １． ，２ ２ＧＨｚ 两 频 率 相 差 ０ ７ＧＨｚ 器 １５ １． ， ． ， 平 均 功率 约 为 １ １ ． ５ＧＷ ， 均 功 率 效 率 ７ ７ 。另 外 ， 通 过 改变 周 期 数 ， 一 步 获 得 了三 频 的微 波 输 出 ， 财 平 ． 还 进 并
的截 止频率 为
厂一 盯 ／ ２ｒ ７ （） ２
式 中 ： 真 空 中的光速 。 Ｃ为
经 计算 ， Ｍ 模 的截 止频 率为 ３ ８ Ｆ ． ９ＧＨｚ 电子 注激 励起 Ｔ ， Ｍ 模 并 与之 发 生 互作 用 。 由于 相 同模 式 的色 散 曲线 会 随着慢 波结 构波纹 幅值 的减 小 而沿频 率轴 上移 ， 电子 注与 波纹 幅值 大 的慢 波结 构 发生 作 用 后产 故 生 的微 波频 率小 于 电子注 与波 纹幅值 小 的慢波 结构 作用 后产 生的微 波频 率 。而本 文 中的 卜 慢波结 构 的波纹 － 下 幅值不 一样 ， 故可 以辐射 出 ２个频 率 的 电磁 波 。在给 定的 加速 电压下 ， 电子 注获 得一 定 的速 度 ， 激励起 了 Ｔ Ｍ 模， 电子注 与上 面 的慢 波结 构 发生互 作用 辐射 出 了频 率 为 １ ． ２ ２ＧＨｚ的电磁 波 。同时 ， 电子 注 与下 面 的慢 波结 构 发生 互作 用辐 射 出了频率 为 １ ． １ ５ＧＨｚ的电磁 波 ， 个频率 相 差 ０ ７ＧＨｚ 两 ． 。 １ ２ 双 电子注 同轴 相对论 返 波管 结构模 型 ． 对于波 纹 型慢波 结构 ， 其半 径
粒子模拟程序的发展及其在激光等离子体相互作用研究中的应用
［ 文章 编 号 】 １０ — ６ （０ ８０ — ４ —８ ０ １２ Ｘ ２０ ） １ ０ ３０ ４ ０
粒 子模 拟 程序 的 发展 及 其在 激 光等 离 子体 相 互 作 用 研 究 中 的 应 用
陈 民 ， 盛政 明， 郑 君 ， 马 燕 云 ， 张 杰
（ ｝ 科 学 院 物 理 研 究 所 北 京凝 聚 态 物 删 家 实 验 窜 ，北 京 １ ０ ０ ｒ圈 １ ０ ８） ０
【 摘 要】 介绍针 对超 短超 强激 光 脉冲 与等离 子 体相 互作 用研 究 的多维 粒 子模拟 程序 Ｋ Ａ ．在 其 一维程 序 ＬＰ
ＫＡ Ｉ Ｌ Ｐ Ｄ中 ，考 虑 场 电离 、碰 撞 离 化 及 两 体 碰 撞 效 应 后 ，程 序 可 以 用 于研 究 短 脉 冲 激 光 与 中性 物 质 的 相 互 作 用 ． 在 其 三 维 程 序 Ｋ Ａ ３ 中 ， 为 了研 究加 速 能 量 达 Ｇ Ｖ的 长距 离 激 光 尾 波 场 加 速 问 题 ，程 序 采 用 移 动 窗 口技 术 ，使 Ｌ ＰＤ ｅ 得 模 拟 尺 度 可 以 达 到 厘 米 量 级 ．同 时 介 绍 了利 用 Ｋ Ａ Ｌ Ｐ程 序 得 到 的 有 关 Ｔ ｚ 射 、激 光 与中性 气 体 相 互 作 用 中的 Ｈ辐 脉 冲 及 离 化 波 前 演化 、激 光 固 体 靶 作 用 中表 面 电子 加 速 及激 光 尾波 场加 速 的 研 究 实 例 ，
少数粒 子 的动力 学行 为更 为感兴 趣 时 ， 所谓 的粒子 模拟 （ ａ ｉ ｅｉ—ｅ ） Ｐｒｃ — Ｃ ｌ 便更 为适 合 ． ｔｌ ｎ １ 目前粒 子模 拟 已经成 为 激光 等离 子体相 互作用 领 域 中另一 动力学 模 拟方 法” ． ’ 由于 采用有 限大 小 的粒子 云模 型 ， 规 的粒 子模拟 方法 也忽 略粒 子之 间的近程 碰撞 作用 ， 常 这使 得它有 点 类似 于 Ｖａｏ 模拟 ． Ｖａｏ ｌ ｖ ｓ 但 ｌｓ ｖ模拟 在处 理激 光 等离 子体 相互 作 用 方 面有 天 然 的缺 陷 ： 先 ， 首 由于其 方 程数 值 解法 的复杂 性 ， 使得处 理二 维 或三维 空 间问题 时 ， 计算 时 间远 远超 过 ＰＣ模 拟 ； 次 ， Ｉ 其 当粒 子在 相空 间 的分 布 具有 锐的边 界 时（ 激光 与 固体 靶 相互作 用 ， 如 存在 锐 的等离 子体 真空边 界 ） 会造 成 分布 函数 的这种 锐特征 的 ，
非磁化等离子体填充的相对论返波管的粒子模拟
Ｆ 一 ４ ２ｒ￣ ｅ
，
速度 为 一 ， 和 因 子 一 中
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［ 一 一 ｒ （ ） ｄ １ 曲ｒ
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舌
。
如 果 一 ０ ｌ ， 一 ＞ ０ 故 Ｆ ＞ ０ 电 子 注 是 发 散 的 ； 果 ≥ １ ， ， 如 一
实 验 研 究 表 明 等 离 子 体 填 充 使 高功 率 微 波 器 件 的 功 率 和 效 率得 到 大 幅 度 的提 高 ＿ ， 此 近 年 来 等 离 子 体 ］ 因 Ｊ 填 充 的 高 功 率 微 波 源 一 直 引 起 人 们 的关 注 。 由于 等 离 子 体 通 道 对 电 子 注 具有 良好 的聚 束 性 能 ， 因此 等 离 子体 填
波管 进 行 了线 性 理 论 分 析 口 。本 文 采 用 粒 子模 拟 的方 法 分 析 了 非磁 化 等 离 子 体 填 充 的 相 对 论 返 波 管 中等 离 子 ］
体、 电子 注及 电 磁 波 互 作 用 的 物 理 过 程 ， 观察 到等 离 子体 对 器 件 性 能 的 影 响 。
非 磁 化 等 离 子 体 填 充 的 相 对 论 返 波 管 的 粒 子 模 拟
杨 梓 强 ， 梁 正
（ 子科技 大学 高能电 子学研 究所 ， 川 成都 ６０ ５ ） 电 四 １ ０ ４
摘 要 ： 对 非 磁 化 等 离 子 体 填 充 的 相 对 论 返 波 管 进 行 了 粒 子 模 拟 分 析 ， 果 表 明 在 一 定 的 等 离 子 结 密 度 范 围 内 ， 察 到 电 子 注 的 良好 传 输 ， 到 了 高 功 率 电 磁 波 输 出 。 离 子 体 密 度 变 化 过 程 中 ， 出 存 在 观 得 等 输 有 峰 值 功 率 点 。 通 过 粒 子 模 拟 清 晰 地 观 察 到 注 、 离 子 体 及 波 相 互 作 用 的 物 理 过 程 ， 且 模 拟 结 果 解 释 等 并 了 部 分实验 现 象 。 关 键 词 ： 等 离 子 体 填 充 ；相 对 论 返 波 管 ； 子 模 拟 粒 中图 分类 号 ： ＴＮ１ ８ ２ 文献 标识码 ： Ａ
低磁场S波段相对论返波振荡器模拟与实验
第19卷 第3期太赫兹科学与电子信息学报Vo1.19，No.3 2021年6月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Jun.，2021 文章编号：2095-4980(2021)03-0380-06低磁场S波段相对论返波振荡器模拟与实验严余军1,2，吴洋2，周自刚*，李正红2(1.西南科技大学理学院，四川绵阳 621010；2.中国工程物理研究院高功率微波技术重点实验室，四川绵阳 621999)摘要：为实现高功率微波(HPM)系统的小型化，设计一个S波段较低磁场相对论返波管(RBWO)振荡器。
针对低磁场特点，分析慢波结构、引导磁场、束压、束流等对输出微波的影响，通过模拟软件(PIC)优化结构。
以此设计引导磁场为0.24 T，电子束束压为725 kV，束流为6 kA，频率为3.53 GHz，输出微波功率为1.22 GW，束波转换效率为27%的低磁场S波段相对论返波管。
仿真实验结果表明：在强流电子束加速器平台上外加磁场为0.24T时，得到平均功率1GW、频率3.58 GHz、脉宽90 ns的微波输出，与理论值一致。
进行了重频为1Hz，20s的稳定性实验，该实验结果为实现相对论返波管的永磁包装奠定了良好的基础。
关键词：相对论返波管；S波段；高功率微波；低磁场中图分类号：TN125 文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2020441Simulation and experiment of S-band relativistic backwardwave oscillator with low magnetic fieldYAN Yujun1,2，WU Yang2，ZHOU Zigang*，LI Zhenghong2(1.College of Science, Southwest University of Science and Technology, Mianyang Sichuan 621010, China; 2.National Key Laboratory ofScience and Technology on HPM Technology, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621999, China)Abstract：An S-band Relativistic Backward Wave Oscillator(RBWO) with lower magnetic field is designed in order to achieve the miniaturization of High-Power Microwave(HPM) systems. According to thecharacteristics of low magnetic field, the effects of slow wave structure, guided magnetic field, beampressure, beam current, etc. on the output microwave are analyzed. The structure is optimized by usingparticle simulation software. On this basis, a low magnetic field S-band relativistic backward wave tube isdesigned, which has a guided magnetic field of 0.24 T, an electron beam voltage of 725 kV, a beam currentof 6 kA, a frequency of 3.53 GHz, an output microwave power of 1.22 GW and a beam conversion efficiencyof 27%. The preliminary experiment is performed on the accelerator platform with high current electronbeam when the external magnetic field is 0.24 T. The microwave is output with average power of 1 GW,3.58 GHz frequency and 90 ns pulse width. And a stability test at 1Hz repetition frequency in 20s isperformed. The experimental results have laid a good foundation for realizing the relativistic backwardwave tube of the permanent magnet packaging.Keywords：relativistic backward wave oscillator；S-band；High Power Microwave；low guiding magnetic field相对论返波管振荡器[1–2](RBWO)是最具潜力的高功率微波器件，其具有结构简单[3]、适合重复频率、高功率和高效率等优点被广泛研究，其要求的磁场也超过1 T。
L波段相对论返波振荡器初步实验研究
Ｆ ｇ １ Ｓ ｈｅ ｔ ｉ ｇ ａ ｏ ｈ ｂ ｎ ｉ ． ｃ ｍａ ｉ ｄ ａ ｒ ｍ ｆｔ ｅ Ｌ－ ａ ｄ ＲＢＷ ０ ｃ
图 １ Ｌ波段 Ｒ Ｗ Ｏ结 构 示 意 图 Ｂ
了终端反射 条件 ， 在参数 选择适 当 的条 件下 ， 以得 到高 的微 波效 率 ；４ 增加 Ｓ 可 （） ＷＳ后 段 波纹 的深 度来 实现 在 电子减速 区增加 电子与结 构波 的耦 合 阻抗 。这 样 当 电子 在磁 场导 引 下 沿轴 向传播 时 ， 电子 束 与 Ｓ ＷＳ壁 之 间 的径 向间隙将 有效地 缩短 ， 波 之 间的耦 合得 以增 强 ， 束一 有利 于提 高效率 。
＊ 收稿 日期 ：０ ９１ － ３ ２ ０ — １０ ； 修 订 日期 ： ０ ９ １ — ２ ２ ０ —２ ２ 基金 项 目 ： 国家 高 技 术 发 展计 划 项 目
作者简介： 葛行 军 （ ９ ２ ）男 ， 士 研 究 生 ， １ ８一 ， 博 主要 从 事 高 功率 微 波 技 术 研究 ；ｇｘｎ ｊｎ ３ ２０ ａ ｏ ．ｏ ．Ｄ ｅ ｉｇｕ ２ ０ ３ ＠ｙ ｈ ｏ ｃｒ Ｃ ｎ ｏ
Ｓ ＷＳ对最 低 阶模 式没有 截止频 率 ， 可使 器件 工作 在最 低
模式 ， 实现横 向选模 ， 小慢 波 结构 径 向尺寸 Ｅ ； ２ 采 减 （）
｛
用 同轴引 出结 构实 现纵 向模 式 选择 ， 在 周期 数 较少 （ 可 ５ 个） 的情况下 实现高 效 的单频 振荡 ， 而缩 短器 件轴 向长 进 度ｌ （ ） １ ３ 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 ， 有助 于削弱输 出微 波脉冲 缩短现象 ， 而且 改变
吉瓦级紧凑型L波段同轴返波振荡器的粒子模拟研究
关 键 词 ：高 功 率微 波 ； 同轴 返 波振 荡 器 ； Ｌ波 段 ； 粒子 模 拟
中 图分 类 号 ： Ｎ８ １ Ｔ ２ Ｔ １ ； Ｎ１ ５ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ０ １２ ０ （ ０ ７ ０ —０ １０ １ ０ — ４ ０ ２ Байду номын сангаас ） ６１ １ － ４
ＧＥ ｎ ｊ ｎ，Ｙ ＮＧ — ｎ ＺＨＯＮＧ ｉｈ ａ ｇ， ＱＩ Ｘｉｇ—ｕ Ａ ＿ Ｙｉ ｍｉ ｇ， Ｈｕ — ｕ ｎ ＡＮ ｏｌａ ｇ Ｂａ —ｉ ｎ
（ ｏ ｌ ｇ ｆＯｐ ｔ ｅｅ ｔｉ ｃｅ ｃ ｎ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ， Ｃ ｌ ｅ ｏ ｏ ｏ ｌ ｃ ｒｃＳ ｉ ｎ ｅ ａ ｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｅ Ｎａ ｉ ｎ ｌ ｔ ａ ｉ ．ｏ ｆ ｎ ｅ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ，Ｃｈ ｎ ｓ ａ ４ ０ ７ ，Ｃ ｉ ａ ｏ Ｕｎ ｖ ｆＤｅ ｅ ｓ ｃ ｎ ｌｇ ａ ｇ ｈ １０ ３ ｈｎ）
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２０ ０ ７年 １ ２月
第 ３ ４卷 第 ６ 期
西 安 电子 科 技 大 学 学 报 （ 自然 科 学 版 ）
Ｊ０Ｕ ＲＮＡＬ ０Ｆ ＸＩ ＡＮ ＵＮＩ ＤＩ ＶＥＲＳＩ ＴＹ
Ｄｅ ． ０ ７ ｃ２ ０ Ｖｏ ． ４ Ｎｏ ６ １３ ．
吉瓦 级 紧 凑 型 Ｌ 波 段 同轴 返 波 振 荡 器 的粒 子模 拟 研 究
葛 行 军 ， 杨 一 明， 钟 辉 煌 ， 钱 宝 良
（ 国防 科技 大 学 光 电科 学与 工程 学 院 ， 南 长 沙 湖 ４０７） １０ ３
摘 要 ：设 计 了吉 瓦级 紧凑 型 Ｉ波 段 同轴 相 对 论 返 波振 荡 器 ， 过 粒 子 模 拟 研 究 了器 件 内束一 通 波作 用 的物 理 过 程 ． 拟 结 果 表 明 ， 电子 束 能 量 ７ ０ ｅ 电子 束 流 １ ｋ 导 引 磁 场 为０ ９ 模 在 ０ ｋ Ｙ， ０ Ａ， ． ， 波 振 荡 器 可 以在 Ｔ时 返 频 率 １６ ＧＨｚ 获 得 较 大 的微 波 输 出 ， 和 后 输 出 微 波 的平 均 功 率 达 ２２ ．０ 处 饱 ． ＧＷ ， 率 约 为 ３ ， 件 电磁 效 Ｏ 器
X波段多频相对论返波振荡器的粒子模拟
利 用 这样 的思 想 我们 曾研 究 了双频 的微 波 输 出 ， 如
果要产 生更 多 的频 率 ， 似乎 可 以在 后 面继 续 增 加 几 段 周 期不一 样 的波纹结 构 。然 而 ， 际器 件不 可能无 限长 ， 实 而 且 由于器件 本身非 线 性 ， 用 多 段 非 均匀 结 构 还 会 导 致 采
器件不稳 定 和难 于 调 节 。为 了解 决 这 个 问 题 ， 以采 用 可 过模结构 ， 即让 电子 同时与 多个模 式发 生相互 作 用 ， 图 如
１ 示。 所
在 给定 的加速 电压下 ， 电子注获 得一 定 的速 度 ， 进 在
入第 一段 慢波 结构 的时候 激励 起 了 ＴＭ。 式 ， 模 电子 注先 与 ＴＭ。 式发 生互 作用辐 射 出 了频 率 １的 电磁波 ， 模 作用 。 增 ’
第２ ２卷第 ６期
２１ 年 ６ ００ 月
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ Ａ ＮＤ ＰＡＲＴＩ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖｏ ． ２，ＮＯ ６ １２ ．
Ｊ ｎ ，２ １ ｕ ． ００
文 章编 号 ： １ ０ — ３ ２ ２ １ ） ６ １ ２ —４ ０ １ ２ （ ０ ０ ０ — ３ ７０ ４
软件 ＭＡＧ Ｃ进 行 数 值 模 拟 ， 到 了 Ｘ 波段 稳 定 的 ３ 频 率微 波输 出 。粒 子 模 拟 的结 果 为 ： 强 流 电 子 束 电 压 Ｉ 得 个 在 为 ５０ｋ 电 流 为 １． Ａ， 导 磁 场 为 ０ ７ 的 条 件 下 ， 得 的 ３个 频 率 分 别 为 ９ ５ ５ １． ２ ７ Ｖ， １４ｋ 引 ． ２Ｔ 获 ． ７ ，０ ０ ５和 １ ． ７ ０４５ ＧＨｚ总 微 波 功 率 为 １０Ｇ ， 率 为 １ ． 。通 过 对 电压 的 调 节 ， 一 步 获 得 了 ４个 频 率 的 微 波 输 出 。 ， ． Ｗ 效 ５４ 进 关键 词 ： 高 功 率 微 波 ； 多频 ； Ｘ波 段 ； 相 对 论 返 波 振 荡 器 ； 粒 子 模 拟
具有双电子束结构的双波段相对论返波振荡器粒子模拟研究
隔离 的束 波 相互 作用 空 问 ， 别命 名为 １区和 ２区 ， 中 １区用来 产生 Ｃ波段 的微波 ， 分 其 ２区用 来产 生 ｘ波段 的
微 波 。１区的高 频 结 构 主要 由前 置 反 射 腔 、 波 结 构 及 功 率 慢 提 取 腔 组 成 ， 中前 置 反 射 腔 同 时 实 现 对 电 子 束 的 预 调 其 制 。 和 截止 颈 的作 用 ， 率 提 取 腔 在 提 取 功 率 的 同时 反 射 功
并将 其 能量 交给 微波 场 。 在图 １ 示的物理模型中， 所 内外 导体 之 间通 过金 属 导 流 ．ｎ 叭 １ ｏ ；． 。 ｔ。ｅ ｏ； 。 ｈｄ ｂ ｛ｃ ｒ ｌｔ
杆连 接而 始终 保持 了相 同的 电位 ， 同时 接 地 ， 以 内外 环形 ｃ ｓｗｗｖ ｓｕｔ ｅｆｅｏ ｃｒ ｓ ｎ ｎ ｔ Ｃ ａｄ 且 所 ． ｌ ａｅｔ ｃ ｒ ｏｒ ｉ １ ｏ ｅ ｏｄ ｇｏ － ｎ； ｏ ｒ ｕ ｇ ｎ ｒ ｐ ｉ ｂ 阴极 与内外导 体 之 间 始终 保 持 了相 同 的 电势 差 ， 只要 不 发 生 ｄＰ ‘ 竹 ｃ ｔ； “ ａ ｙ Ｙ ａｏｅ ｎｄ； 间 隙闭合 ］两 个环 形 阴极 的 电子束 发射 始终 独立 。Ｎ￣ ， ， － 两 ， ｔ ｕｐ ｎｒ； ｐｍｇ ｄ ｏ ｏ
一
部分 功率 至慢 波结 构 区 ， 以促 进慢 波 结 构 区 的束一 波相 互 作
用 １ 。２区 的主要结 构 由一段 光 滑 波导 段 问 隔开 的 两段 慢 波 结 构组 成 ， 电子束 在 通 过 第 １段 慢 波 结 构 时 产 生 一 定 的 预 调 制 ， 后在第 ２段 慢 波 结 构 区形 成 强 烈 的束一 相 互 作 用 ， 然 波
，
中等能量P波段相对论返波振荡器的理论设计与粒子模拟
效 率ｌ 改进 型结 构使 得束 一 ＿ 】 引， 波转换 效率 提 高到 ３ ． ＿ 验 证 了这一 设计 思 想在 Ｐ波段 的可行 性 ， 注 意 到 ７８ ｌ ， 但
两 种结 果都 是在 较 高 电子 束 能量 （ ０ ｅ 条件 下得 到 的 。 ７ ０ｋ Ｖ） 当前 ， 为配 合 紧凑 型 固态 化脉 冲 电子束 加速 器 ， 亟需 研 制 与之 配套 的 中等 能 量相 对 论返 波 振荡 器 ， 而若 然 把 高能 量结 构直 接用 于 中能 能量 （ ０ ｅ 的 Ｐ波 段 Ｒ ＷＯ设 计 ， 存在 径 向束一 ３ ０ｋ Ｖ） Ｂ 则 波作 用空 间狭小 、 出微 波 输 饱 和较 慢等 不 足 。本 文提 出了一种 新 的结 构 ， 器件 的慢 波结 构 由同轴 外波 纹结构 变 为 同轴 双波 纹结构 ， 将 一定 程 度上 增加 了器 件 的功率 容量 。
中等 能 量 Ｐ波段 相 对 论 返 波振 荡 器 的 理 论 设 计 与粒 子模 拟
高 梁 ， 钱 宝良 ， 葛行军 王运行 ，
（． 国防 科 学 技 术 大 学 光 电 科 学 与 工程 学 院 ，长 沙 ４ ０ ７ １ １０３ ２ ．第 二 炮 兵 青 州 士 官 学 校 基 础 部 ，山东 青 州 ２ ２ ０ ） ６５ ０
１ 理 论 设 计 与 分 析
１ １ 色 散 特 性 ．
首 先采 用文 献 ［ ３ 的设计 思想 ， １］ 即用 同轴外 波 纹慢 波 结 构设 计 中等 能量 Ｐ波 段 Ｒ ＷＯ， 慢波 结 构参 数 Ｂ 其 选择 依据 以下两个 原 则 ：１ （ ）基 于紧凑 化 考虑 ， 波结 构 径 向尺 寸 及 慢 波结 构 周期 长 度取 优 化 最小 值 ； ２ 慢 （ ）由 于 中等 能量 电子 束对 应工 作 电流较 小 ， 因此 需要 设计 电子 束线 与慢 波结 构最 低模式 交点 为近 模点 ， 因为在此
x波段多频相对论返波振荡器的粒子模拟
x波段多频相对论返波振荡器的粒子模拟
1 相对论返波振荡器
相对论返波振荡器是一种物理结构，用来处理材料中X波段信号。
它利用了物体在X波段多次反射之后发出振荡信号，来处理一些电磁
学问题。
一个典型的相对论返波振荡器由一些元件组成，包括天线、
传输线、泵浦电源和激励源等。
2 X波段多频相对论返波振荡器的粒子模拟
粒子模拟是一种模拟方法，将物体的行为模拟为粒子，并观察其
对外部输入的反应，从而观察系统的状态变化和反馈。
当处理X波段
多频相对论返波振荡器时，粒子模拟可以帮助我们更快更好地理解这
些结构是如何工作的，以及如何利用它们来处理一些电磁学问题。
首先，粒子模拟可以帮助我们更好地模拟X波段多频的反射情况。
我们可以利用模拟的方法把X波段的多层反射直接模拟成一个三维的
空间，观察不同反射率的X波段物体在不同材料中的发射情况。
同时，我们还可以观察X波段物体在反射之后发出的振荡信号，以获得更准
确的结果。
此外，粒子模拟还可以帮助我们模拟元件之间的动态连动关系，
从而更好地理解元件之间的互动。
另外，我们还可以用粒子模拟来研
究元件之间的物理参数，这些物理参数可以调节相对论返波振荡器的
工作状态，从而提高系统的性能。
最后，利用粒子模拟可以进一步研究X波段多频相对论返波振荡器的系统特性，从而更好地提高系统的效率，提高系统的输出功率，从而获得更佳的效果。
总之，粒子模拟是一种有效的方法，可以帮助我们更好地研究X 波段多频相对论返波振荡器，从而提高系统的性能。
相对论返波管中击穿现象粒子模拟
作者简介 ： 李姝敏（ １ ３ 一） ．女 ， 硕上． 从 事 高功 率 微 波 源 击穿 现 象 方 而 的 研 究 ； ｌ ｓ ｍｎ ｅ ｗ（ ９ ： １ ２ ６ ． － Ｏ ｌ ｌ ｌ
李水尔（ １ ９ ７１ 一） ・ 男－ 教授 ． 博 ｉ １ － 导帅 ． 主 要 从 事脉 冲功 率 ， ｊ ‘ 面的 研 究 ； ｌ ｃ ｙ （ ｉ ｍｌ （ ￣ ¨＂ ａ ａ ｉ ｌ ． ｘ ｊ ｔ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
李姝敏， 李永东， 刘 震
（ 西安 交 通 人学 电 子 物理 器件 敦 育部 重 点 实 验 室 ． 西安７ １ ０ ０ ｔ ９） 输 出功率 的捉 『 巧， Ｒ Ｂ Ｗ（ ） 内 部 击 穿 题 日益 突 出 。
真实 的物 理过 程 。基于此 ， 我 们建立 ＿ 『强 场 击 穿 的 三 维 粒 子 模 拟 模 型 。 采 用 的 相 对 论 返 波 管 物 理 结 构 模 如 网 １所 示 。 其 中结 构 最 左 端 为 爆 炸 发射 阴 极 ， 在 前 级 脉 冲 功 率 源 驱 动
ｔ ｍｅ ／ ｎ ｓ Ｋｉ ｇ ． ２ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｗａ ｖ ｅ Ｏ Ｕ Ｉ ｐｕ ｔ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｗｉ ｔ ｝ １ （ ） Ｕ Ｉ ｐ ｌ ａ ｓ ｍ
相对 论返 波管 （ ＲＢ ＷＯ） 是 最 早 受 到 研究 和 发展 的 利用 相 对 论 电子 柬产 生 高 功 率 微波 的器 件 ， 具 有 高 功
率、 高效 率 、 可重 复频率 运行 等 特 点 。在 追 求 更 高 输 ｌ 叶 Ｉ 微波功率过程中． Ｒ Ｂ ＷＯ 『 大 】 部 强场 击 穿 问题 口益 突 出。强场 击穿 可能 会发 生在 任一 存在局 部强 场 的 高频结 构 中 ， 例 如 截止 颈 、 慢 波结 构 、 提 取腔 等 。高 频结 构 表 面 存在 的 微小 突起 、 油污 染 、 吸 附气 体等 ， 会 加 剧场 致 电子 发射 和等 离子 体形 成 过程 ｊ 。随着 等离 子 体 的密 度增 加 和空 问扩展 ， 高频 结构 特性 和微 波传输 通 道可 能受 到破坏 ， 最 终引 起输 出微波 脉 冲提 前终 止 。俄罗斯 大 电流研究 所认 为 由于等 离子 体对微 波 的吸 收 。 导 致相 对 论返 波 管 的起 振 电流增 大并 超过 ＿ ， 电子 柬电流 ． 从 而使 微 波产生 过程 被提 前 中断 。西北 核技 术研 究 所孙 钧 等 研 究人 员 将慢 波 结 构 区域 的 等离 子 体 简化 为有 效 介 电常数 ， 发现 等离 子体 会改 变慢波 结构 的 色散特性 。 导 致 微波功 率下 降 。 。本文 主要 针对 实验 中观 察到 的散 。 列 击穿痕 迹 ， 采用 ３维粒 子模 拟建 了相 对论 返 波管 中单点 击穿 和 多点 击穿仿 真模 型 ， 在忽 略 ｒ阴极 等离子 体 和 收集极 等离 子体 的 前提 下 ， 对高 频结 构不 同 区域 的击 穿进 行 了模拟 。
相对论返波振荡器研究进展
相对论返波振荡器研究进展
文光俊;李家胤;熊祥正;刘盛纲
【期刊名称】《电子科技大学学报》
【年(卷),期】1996(0)S1
【摘要】对高功率相对论返波振荡器（Ｒ—ＢＷＯ）的国际国内研究情况进行了全面综述，报道了Ｒ—ＢＷＯ理论和实验研究的最新进展，预测了Ｒ—ＢＷＯ的发展趋势，提出了一些建议。
【总页数】10页(P140-149)
【作者】文光俊;李家胤;熊祥正;刘盛纲
【作者单位】成都电子科技大学国家８６３计划强辐射重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN75
【相关文献】
1.相对论返波振荡器超导磁体的研制 [J], 黄鹏程;房震;高洋;陈文革
2.等离子体加载相对论返波振荡器研究进展 [J], 文光俊;李家胤;于秀云;刘盛纲
3.低磁场S波段相对论返波振荡器的工作特性 [J], 江佩洁;李正红;吴洋
4.低磁场S波段相对论返波振荡器模拟与实验 [J], 严余军;吴洋;周自刚;李正红
5.低磁场S波段相对论返波振荡器模拟与实验 [J], 严余军;吴洋;周自刚;李正红因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
多频高功率相对论返波振荡器的研究的开题报告
多频高功率相对论返波振荡器的研究的开题报告
题目：多频高功率相对论返波振荡器的研究
一、研究背景
相对论返波振荡器（Reltron）是一种重要的微波产生器，其工作原理为利用反射室中的电子流对电磁场进行反馈，从而产生信号。
该技术在军事、通信、医疗等领域都有广泛应用。
然而，传统的相对论返波振荡器存在频段窄、功率低等问题，不足以满足实际需求。
为解决这些问题，近年来发展了多频高功率相对论返波振荡器技术。
它可以在更广泛的频率范围内生成高功率的微波信号，有着广阔的应用前景。
因此，对多频高功率相对论返波振荡器的研究具有重要意义。
二、研究内容
本课题将深入探究多频高功率相对论返波振荡器的研究，包括以下方面：
1.设计并制备多频高功率相对论返波振荡器样品
2.分别对不同频段的振荡器进行测试，分析其频率稳定度、功率稳定度等性能指标，并对比分析不同频段振荡器的性能差异
3.采用模拟和仿真的方法，对多频高功率相对论返波振荡器的工作原理进行深入研究，为进一步优化振荡器性能提供理论指导
4.在实际应用中，将研究对象与现有的微波设备进行联合测试，探究多频高功率相对论返波振荡器与传统微波设备的兼容性和优化方案，为实际应用提供支持。
三、研究意义
本课题的研究成果可以提高多频高功率相对论返波振荡器在军事、通信、医疗等多个领域中的实际应用效果，丰富了微波技术研究的内容，且可提高国家的战略竞争力。
等离子体填充0.14THz相对论返波管模拟
王宇; 陈再高; 雷奕安
【期刊名称】《《物理学报》》
【年(卷),期】2013(000)012
【摘 要】模拟了0.14 THz相对论返波管中电子束与氩气相互作用产生等离子体的过程.研究了在不同气压条件下,等离子体对相对论返波管的输出功率、频率以及起振时间的影响.模拟结果表明,等离子体背景能引起太赫兹波段真空电子器件脉冲缩短,并出现新的频率分量;适当的注入等离子体能减少0.14 THz相对论返波管的起振时间,提高器件的输出功率.
【总页数】7页(P381-387)
【作 者】王宇; 陈再高; 雷奕安
【作者单位】
【正文语种】中 文返波管工作影响的粒子模拟 [J], 袁玉章;张军;白珍;钟辉煌
2.非磁化等离子体填充的相对论返波管的粒子模拟 [J], 杨梓强;梁正
3.等离子体填充0.14THz相对论返波管模拟 [J], 王宇;陈再高;雷奕安
4.填充等离子体的绕射辐射振荡器模拟研究 [J], 吕文丽;王浩英
5.等离子体填充0.14 THz相对论返波管模拟 [J], 王宇; 陈再高; 雷奕安
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离子原子碰撞过程中反冲离子飞行时间谱的蒙特卡罗模拟研究
反冲离子，反冲离子产生几率（截面）是由反应的物 理规律决定的。碰撞中产生的反冲离子由引出电 场引出并加速，然后穿过无场漂移管，再加速后被 探测器所探测，通过散射离子和反冲离子的时间符 合测量，可以得到反冲离子飞行时间谱（;<=），这 是反冲离子 ;<=实验的整个物理过程，参见图*。 为模拟 ;<=谱，需要确定以下参量：（$）入射离子 束的空间 密 度 分 布，（*）原 子 束 密 度 的 空 间 分 布， （>）靶原子的初速度分布， （?）不同电荷态反冲离子 产生几率， （A）产生的反冲离子的飞行时间。在建 立程序模拟上述参量中的各种分布、几率并求出反 冲离子飞行时间后，对每次模拟事件根据飞行时间 进行累计，就得到反冲离子的飞行时间谱，从而，可 以与实验测量到的 ;<=谱进行分析比较。
（中国科学院近代物理研究所，兰州，)#""""）
ห้องสมุดไป่ตู้
摘要：基于蒙特卡罗方法，建立了程序模拟离子与原子碰撞中的反冲离子飞行时间谱。模拟入射离子束的
空间密度分布，原子束密度的空间分布，靶原子的初速度分布，根据反应几率产生不同电荷态反冲离子，并
求出反冲离子飞行时间后，对每次模拟事件根据飞行时间进行累计，就得到反冲离子的飞行时间谱。模拟
能高电荷态离子与原子碰撞反应中的多电子转移
过程。
实验上，反冲离子的电荷态是通过测量其飞行
时间而得到的。本文采用蒙特卡罗模拟方法，建立
了飞行时间模拟模型，根据实际实验条件，研究了
（=）式所描述的高电荷态离子与惰性气体靶原子碰 撞反应中反冲离子的飞行时间谱，通过模拟谱与实
新型反射腔在多频相对论返波振荡器中的粒子模拟研究
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟新型反射腔在多频相对论返波振荡器中的粒子模拟研究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CH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。
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第14卷 第5期强激光与粒子束Vol.14,No.5 2002年9月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Sep.,2002 文章编号:100124322(2002)0520757205充中性气体相对论返波振荡器的粒子模拟研究Ξ刘 列, 刘永贵, 李传胪(国防科学技术大学理学院,湖南长沙410073) 摘 要: 用PIC粒子模拟方法研究了充中性气体相对论返波管的物理机制,成功模拟了电子束碰撞充入返波管中的中性气体电离产生等离子体的过程,在电子束传输的路径上形成离子通道,有效中和电子束径向空间电荷力,有利于电子束的传输及束波相互作用产生微波。
增加中性气体密度,返波管的输出频率明显上移,其辐射的功率和效率比相同的真空器件也有明显的提高。
关键词: 充中性气体返波管;粒子模拟;功率;转换效率;频率 中图分类号:TN128 文献标识码:A 相对论返波管(RBWO)由于具有高功率、高效率、结构简单等特点,是高功率微波源研究的热点之一[1～5]。
20多年来,对充等离子体高功率微波器件的研究得到迅速发展。
国内外研究人员发现,充适量的背景等离子体会引起微波器件性能很大的变化。
最典型最成功的充等离子体相对论返波管实验是由美国马里兰大学的研究小组完成的,器件在2～3kA,0.63MV的相对论电子束驱动下,得到600MW的输出功率,效率达40%,比未充等离子体的同类器件提高了近8倍。
Kuzelev等人用0.9kA,0.4MV相对论电子束,由等离子体切伦科夫脉塞产生了0.1GW的微波,效率达20%。
与真空器件相比充等离子体微波器件有以下几个显著特点:(1)有利于束波的相互作用,提高效率;(2)可以提高传输电流从而提高输出功率;(3)通过改变等离子体密度,得到调谐的微波输出;(4)改善高功率微波器件的频率特性;(5)有可能实现在较弱或无引导磁场下工作。
等离子体在波导管中是如何产生的,在已发表的粒子模拟文献中很少涉及这方面内容,研究仅限于已存在等离子体的情况,而没有考虑等离子体的形成过程以及对微波输出的影响。
在波导管中产生等离子体的方法有两种,一种是向波导管中注入等离子体[2],另一种是利用电子束与中性气体的碰撞电离产生等离子体,后者在实验中比较容易实现,也是一种比较有效的方法[6]。
基于这样的考虑,本文用PIC粒子模拟方法,成功模拟了返波管中等离子体的形成过程以及对微波输出的影响;表明了等离子体及离子通道的形成完全是由电子束与中性气体的碰撞电离产生的,它有利于电子束的传输及束波相互作用;该器件的工作频率在X波段,模式为TM模,增加中性气体密度,返波管的输出频率明显上移,产生的微波辐射功率和效率比相同的真空器件也有明显的提高。
1 模型及理论 物理结构模型如图1所示,慢波结构的波导段呈折线周期变化,平均半径、周期和波纹深度分别为115cm,1.6cm和0.2cm,环形电子束半径为0.9～1.1cm,左端接截止波导段,截止半径为1.2cm,右端经过漂移段接输出喇叭,电子枪和慢波线一道置于螺线管强纵向引导磁场中(B=2.1T),由阴极发射的环形电子束从左边进入互作用区,作用区的圆柱体内部充满了数密度为1014～1015/cm3的中性气体(He气),高能电子束与维程序模拟,对这一物理过程原子产生碰撞,电离形成等离子体,考虑到漂移段及电子束的轴对称性,采用212进行描述。
根据碰撞过程分析,单位时间内产生的等离子体的数密度可表示为[6]5n p5t=k i n beam n gasσv b(1)式中:n p表示等离子体中电子或离子的数密度(准中性等离子体);t表示时间;v b表示相对论电子束的速度;σ为碰撞截面;n是电子束的数密度;n gas是所充中性气体的数密度;k i是碰撞电离系数(碰撞之后,只有一beam部分被电离)。
从(1)式可以看出,碰撞电离过程不仅与中性气体的密度有关,而且与电子束的能量和电子束的密度关系密切。
高能量、高密度电子束对碰撞电离过程是有利的。
电离过程很复杂,(1)式只是碰撞过程的近Ξ收稿日期:2001209225; 修订日期:2002205217基金项目:国家863高功率微波领域资助课题作者简介:刘 列(19602),男,副教授,博士生,现主要从事高功率徽波源方面的研究工作。
Fig.1 Schematic of the relativistic backward wave oscillator filled with plasmas图1充等离子体相对论返波管结构示意图似描述。
我们考虑了弹性碰撞和非弹性碰撞两种情况:弹性碰撞只会造成粒子的偏转和偏折,而气体原子被激发和电离是由非弹性碰撞产生的,即原子受到电子或离子的非弹性碰撞,原子受到其它原子的非弹性碰撞以及通过光子与原子的非弹性碰撞。
显然,产生激发或电离的必要条件是碰撞粒子的动能必须大于或等于被碰撞粒子的激发能或电离能。
当然,在实际系统中,还有很多其他的碰撞和激发方式,因碰撞截面较小而影响不大而忽略不计。
在模拟过程中,很重要的一点是如何确定碰撞的类型,以计算能量的损失、交换及碰撞后各粒子的速度。
Monte 2Carlo 方法是解决这一问题的很好方法。
充中性气体相对论返波管中的束波相互作用过程可由Maxwell 方程组和带电粒子的运动方程来描述,可采用现普遍运用的粒子模拟技术即PIC 方法,详细内容见文献[7]。
2 模拟结果 如图2所示,电子束在充中性气体的波导管中传输,模拟结果显示漂移段长和喇叭张开的角度等几何参数都有一最佳值,改变这些参数将影响该器件的微波输出。
电子束只在传输的路径上与中性气体碰撞、电离形成等离子体。
图2(a )电子束轨迹和图2(b )形成的离子通道是一致的,说明了等离子体及离子通道的形成完全是由电子束与中性气体的碰撞电离产生的,产生的等离子体集中在电子束所到之处,这一点与事先充好等离子体是不同的,后者等离子体充满了波导管。
用电流、电压分别为2.6kA 和550kV 的电子束碰撞密度为1014～1015/cm 3的中性气体可产生平均密度为1011～1012/cm 3的等离子体。
充等离子体微波器件中的等离子体密度应该在这个量级上或更高,不然充等离子体微波器件将失去它的显著特点,如高功率、可调谐等,所以充“适量”的背景等离子体会引起微波器件性能很大变化讲的就是这个涵义。
离子通道的形成可有效中和电子束径向空间电荷力,有利于电子束的传输。
从图2(c )电子束的相空间图和图2(d )电子束电流I z 图中可以看出,在传Fig.2 Variations of the beam and plasma parameters along z 2axis in 20ns图2 20ns 内电子束和等离子体粒子沿z 变化857强激光与粒子束第14卷输过程中电子束不断排斥等离子体电子,留下相对静止的正离子本底,电子束存在明显的纵向群聚,电流I z 受到强烈调制,只有这样才能有高功率微波输出。
同时也说明,电子束与中性气体碰撞产生等离子体,不但没有影响电子束群聚和I z 的调制,而且使它们增强,因而这是一种构造充等离子体相对论返波管的有效手段,这一方法也适用于其他充等离子体的微波器件。
Fig.3 Output frequency spectrum (t =20ns )图3 窗口输出频谱(t =20ns ) 在微波辐射出口附近设诊断点(z =49cm ,r =1cm ),对诊断点空间电场、磁场进行频谱分析,在f =916GHz 处,电场E z ,E r 有一对应尖峰脉冲,在同一频率处,磁场角向分量H t 对应一尖峰脉冲。
从图3中可以看出,电场的其它分量E t 以及磁场的其它分量H z 和H r 只在零值附近有微小振荡,对微波输出作用微小,是标准的TM 模,且输出频率在X 波段。
结果还表明其频率单一,说明该器件有较好的相干性。
一般返波管不易调谐,当返波管的几何尺寸给定后,输出频率就一定了,电子束电压或电流变化时,输出频率无明显变化,该器件在真空和低中性气体密度时,就始终保持f =9.6GHz 的输出频率,但随着中性气体密度继续增加,返波管的输出频率明显上移,如图3所示。
图3(a ),(b )是充密度为1.0×1015/cm 3的惰性气体的输出频率;图3(c ),(d )是充密度为1.8×1015/cm 3的中性气体的输出频率,输出频率从f =9.6GHz 上移至f =9.9GHz ,说明具有等离子体的相对论返波管可以实现调谐的微波输出。
文献[6]的实验是根据输出频率的变化推算出等离子体密度的,而我们通过粒子模拟可以得到产生的等离子体密度及其分布。
图4是窗口微波输出功率和效率的变化图,图4(a )是真空器件在0～20ns 的平均功率达到340MW 。
图4(b )是充中性气体的器件,在相同时间间隔内的平均功率达到400MW ,图中表明该器件易起振,电磁场强度的增长速度快,约5ns 时刻,开始有微波输出;15ns 后达到饱和。
图4(c )是该器件的束波转换效率,真空器件曲线A 是25%,充中性气体的器件曲线B 可达30%以上。
说明在相同的时间间隔内充中性气体的返波管与真空返波管相比,改善了束波相互作用,增加了功率,提高了效率。
图4(d )是对输出窗口截面进行功率流积分并作傅里叶变换,得到截面上微波辐射功率频谱图,功率频谱分布与图3的场频谱分布是一致的,同时表明微波辐射功率不含有直流分量。
当然在给定的相对论电子束驱动下,充的中性气体密度应该有一最佳值。
我们给出充不同中性气体密度下的输出平均功率和效率值如表1。
3 结 论 充等离子体微波器件具有明显的优点是众所周知的;而利用电子束与中性气体碰撞产生等离子体这一物理过程,在实验中是比较容易实现的,也是一种比较有效的方法。
用PIC 粒子模拟方法研究充中性气体相对论返波管的物理机制,可以正确地预见出该器件中产生等离子体的状态,分析它对微波输出功率、效率、频率等957第5期 刘 列等:充中性气体相对论返波振荡器的粒子模拟研究Fig.4 Output power and wave production efficiency图4 窗口输出功率和效率变化图表1不同中性气体密度下的模拟结果T able 1 Simulation results with different neutral gas densitymodel (I d =2.6kA ,gas density 0～20ns 15～20ns conversion efficiency U d =550kV )/cm -3<P >/MW <P >/MW ηmax /%RBWO without gas 034051025.0gas 2filled RBWO101435052026.0101537059029.01.2×101539061030.01.4×101540062034.01.8×101529025026.0性能参数的影响,模拟结果与理论分析相符,对指导其他充等离子体微波器件的实验研究同样具有重要意义。