等离子体对相对论返波管工作影响的粒子模拟

第30卷第4期强激光与粒子束V o l.30,N o.4 2018年4月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S A p r.,2018
等离子体对相对论返波管工作影响的粒子模拟*
袁玉章,张军,白珍,钟辉煌
(国防科技大学前沿交叉学科学院高功率微波技术研究所,长沙410073)
摘要:金属高频结构的射频击穿是引起功率下降和脉冲缩短的重要原因,是限制高功率微波(H P M)向更高功率㊁更长脉冲发展的重要因素㊂射频击穿的物理过程极其复杂,并且开展射频击穿研究对实验条件等
要求高,因此粒子模拟是研究射频击穿的重要手段㊂通过在慢波结构表面设置爆炸发射电子和离子的方式模
拟等离子体对一个X波段的相对论返波振荡器(R B WO)和一个K a波段的R B WO工作的影响㊂粒子模拟结
果表明,对于分段式慢波结构,后段慢波结构产生等离子体会对电子束的调制造成影响,进而影响器件正常工
作,引起微波功率下降㊂当等离子体由质量较轻的正离子和电子组成时,会对束波作用造成更大的影响,引起
较大的输出功率下降㊂相同密度的射频击穿等离子体对K a波段R B WO工作的影响大于对X波段R B WO的
影响㊂
关键词:高功率微波;相对论返波管;射频击穿;粒子模拟
中图分类号: T N125文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201830.170444在高功率微波器件向更高功率,更长脉冲发展的过程中,几乎所有的器件都遇到了不同程度的功率下降和辐射微波脉冲宽度相对电子束脉冲宽度变窄的问题[1-4]㊂脉冲缩短现象严重限制了微波源辐射功率和能量的提高,制约了高功率微波技术的进一步发展,因此理解和解决脉冲缩短现象已成为各国学者和实验室关注的重点㊂但因为各种微波源工作原理不同,其产生脉冲缩短的主要物理机制也有所不同,所以对脉冲缩短现象仍未形成共识㊂为了提高器件输出功率和脉宽,研究人员做了不懈的努力㊂俄罗斯的研究小组采用大尺寸的过模结构使微波管壁电场降低到电子发射阈值以下,同时使用特殊材料的热发射阴极代替爆炸发射阴极和去除慢波结构吸附气体的方法,有效地提高了相对论C e r e n k o v器件的脉冲长度[5-6]㊂美国的研究人员通过改善结构进而抑制非期望模式的增长和模式竞争改变磁场位形控制电子束的不稳定性,显著地提高了微波源的输出性能[7]㊂H a w o r t h等人采用锥形阴极结构避免反射腔上形成较强的场,从而消除了叶片拦截区的电子发射,也有力地改善了脉冲缩短现象[8-9]㊂实验研究结果表明,引起脉冲缩短的机制主要是微波管中等离子体的形成和注入电子束质量的影响㊂等离子体的形成原因有爆炸式电子发射㊁中性气体的电离㊁强电场引起的表面击穿等,而注入电子束质量则主要包括电子束的不稳定性㊁漂移与扩散㊂许多现象都与系统意外产生的等离子体密切相关㊂
在H P M产生器件内部,慢波结构(S W S s)是容易发生射频击穿的薄弱环节㊂但在H P M产生器件内部观察射频击穿规律,容易受电子束不稳定㊁二极管㊁收集极等离子体等因素的干扰,故开展粒子模拟研究对认识击穿等离子体对微波源工作的影响有重大意义㊂与此同时,随着高功率微波源向更高频段的发展,微波源尺寸进一步减小,尽管高频段的击穿阈值更高,但其表面电场仍足以引起射频击穿,射频击穿等离子体对其工作的影响同样值得关注㊂
射频击穿的物理过程极其复杂,本文重点研究等离子体产生后对微波源工作的影响,因此忽略了等离子体的形成过程,采用预制高密度电子和离子的方式来进行粒子模拟,背景为真空㊂本文分别对一个工作在X波段的R B WO和一个工作在K a波段的同轴R B WO开展了粒子模拟研究,研究了不同位置㊁产生不同类型的粒子对器件工作的影响㊂
1X波段R B W O的粒子模拟研究
为了降低器件表面电场,提高微波源功率容量,研究人员采用了过模结构,由于过模结构中存在高阶模式,所以对器件高频结构的设计有更高的要求㊂然而,在向更高功率发展时,过模器件也遇到了由于射频击穿带来
*收稿日期:2017-11-08;修订日期:2017-12-13
基金项目:国家高技术发展计划项目
作者简介:袁玉章(1989 ),男,博士,从事高功率微波技术研究;y u a n y u z h a n g206@163.c o m㊂
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F i g .1 S c h e m a t i c o f a nX -b a n do v e r m o d e d R B WO w i t h D /λ=2.7
图1 D /λ=2.7的X 波段过模R B WO 结构示意图的脉冲缩短和功率降低的问题㊂
粒子模拟中采用的X 波段过模O 型C e r e n k o v 器件(D /λ=2.7,其中D 是慢波结构的平均直径,λ是微波源产
生的微波波长)结构如图1所示[
10]㊂该器件的高频结构由两段被漂移段隔开的过模S W S ㊁准直孔㊁谐振腔和锥形波导组成:准直孔用来收集少数具有较大径向速度的电子;分段
式的S W S 能够将电子束的群聚和束波作用实现一定程度
的分离,从而提高束波作用效率;谐振腔则通过对前向波的
反射来提供反馈机制,进而实现纵向模式的选择㊂锥形波
导用于增大收集极的面积和离束波作用区的距离㊂外加螺
线管提供约0.7T 的磁场来约束电子束沿S W S 表面传输㊂
该X 波段过模器件的2维P I C 模拟结果如图2所示:在束电压㊁束流分别为720k V ,10.3k A 的情形下,其输出微波的平均功率㊁主频分别为4.05GW ,9.5G H z ㊂在输出波导端口处监测到的积分电压的F F T 变换和功率振荡如图2所示:
输出微波频谱很纯,说明2维模拟中的对称模式竞争抑制得很成功
㊂
F i g .2 M i c r o w a v e p o w e r a n do u t p u t s p
e c t r u mo
f t h eX -b a n do v e r m o d e dR B WOi n2DP I Cs i m u l a t i o n 图2 X 波段过模器伴的2维P I C
模拟中获得的微波功率和输出微波频率F i g .3 F i e l dd i s t r i b u t i o no f t h eX -b a n dd e v i c e a t 20n s 图3 20n s 时器件场分布
图3是20n s 时该器件的场分布图,
可以看出表面最大电场集中在慢波结构表面,
且超过了X 波段发生射频击穿的经验阈值0.7MV /c m ,因此慢波结构表面较易击穿形成等离子体㊂分别设置前段慢波结构和
后段慢波结构分别爆炸发射不同类型粒子,
研究不同位置击穿以及不同等离子体组分
对器件的影响,研究其对输出微波的影响㊂
图4分别为前段慢波结构和后段慢波结构产生不同类型等离子体时微波源的输
出功率对比㊂除产生等离子体位置外,其余
参数设置均相同㊂从图中可以看出,不同位置设置等离子体对输出微波影响的基本规律相同,均是只爆炸发射电子和离子时输出微波与原模型相仿;当电子和离子同时存在时,输出微波功率下降明显,且由电子和氢离子组成的等离子体对输出微波功率的影响最为明显㊂
对于分段式慢波结构,前半段慢波结构主要是对电子束的预调制,而后半段慢波结构则是电子束与微波换能的主要区域,因此当后段慢波结构出现等离子体时,会对束波作用造成影响,进而减小微波输出功率㊂
由于导引磁场的约束,爆炸发射的电子集中在慢波结构之间,这在一定程度上改变了慢波结构的电动力学
强激光与粒子束
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特性,另一方面,聚集在一起的电子通过库仑力与电子束作用,影响其群聚和换能㊂而离子由于较大的质量不能被磁场约束,会发生扩散,如图5所示㊂氢离子由于质量较轻,在29n s 时已经扩散至二极管区域和收集极区域,而氧离子则主要向中心区域扩散,这解释了当等离子体由电子和氢离子组成时对微波源的影响更大㊂此外,射频击穿产生的离子在微波场的作用下获得较高的能量,进而会造成气体电离及金属材料表面溅射等效
应,质量较轻的离子扩散的范围广,与微波源作用的面积大,造成的影响也会相对大一些[
11]㊂F i g .4 O u t p u t p o w e r o f t h eX -b a n dd i v i c e d i f f e r e n t c h a r g
e d p a r t i c l e s a t S W S 1o r S W S 2图4 前段慢波结构中段设置不同发射粒子和后段慢波结构中段设置不同发射粒子时器件输出功率对比(X 波段
)F i g .5 D i s t r i b u t i o no f t h e p a r t i c l e s a t 29n sw h e n s e t e x p l o s i v e e m i s s i o no f h y d r o g e n i o n s a n do x y g e n i o n s 图5 29n s
时前半段慢波结构设置爆炸发射氢离子和氧离子情形时的粒子分布图
F i g .6 S c h e m a t i c o f aK a -b a n dO -t y p e o v e r m o d e dd e v i c e 图6 K a 波段过模O 型C e r e n k o v 器件结构示意图2 K a 波段R B W O 的粒子模拟研究
高频毫米波器件是高功率微波发展的另一个趋势㊂由
于尺寸限制,毫米波器件无疑面临着更为严重的射频击穿问
题㊂D /λʈ6的K a 波段过模O 型C e r e n k o v 器件结构如图6
所示[12]㊂该器件的高频结构很大的特点是引入波纹波导用于纯化输出模式㊂
该K a 波段过模器件的2维P I C 模拟结果如图7所示,
在束电压㊁束流分别为290k V ,6k A 下,其输出微波的平均功率㊁主频分别为600MW ,32.262G H z
㊂从图7可以看出
,F i g .7 M i c r o w a v e p o w e r a n do u t p u t s p e c t r u mo f t h eK α-b a n do v e r m o d e dR B WOi n2DP I Cs i m u l a t i o n 图7 K α波段过模器件的2维P I C 模拟中获得的微波功率和输出微波频谱
袁玉章等:等离子体对相对论返波管工作影响的粒子模拟
043002-4
F i g .8 F i e l dd i s t r u b u t i o no f t h eK α-b a n dd e v i c e a t 19n s 图8 19n s 时器件场分布输出微波频谱很纯,说明2维模拟中的对称
模式竞争抑制得很成功㊂
图8是19n s 时该器件的场分布图,
可以看出表面最大电场集中在慢波结构表面,约1.4MV /c m ,一般来说,击穿阈值会随着频率提高而提高,但该表面电场下击穿风险仍
很大,因此慢波结构表面较易击穿形成等离
子体㊂为了更好地对两个波段微波源得到的
结果进行对比,等离子体密度与上节相同㊂
这么做是基于虽然高频段的击穿阈值更高,
但其慢波结构表面承受的电场强度也更高,
因此,设置相同密度的等离子体是合理的㊂
与上一小结类似,分别设置前段慢波结构和后段慢波结构分别爆炸发射不同类型粒子,研究不同位置击穿以及
不同等离子体组分对器件的影响,研究其对输出微波的影响
㊂F i g .9 O u t p u t p o w e r o f t h eK α-b a n dd e v i c e e m i t t i n g d i f f e r e n t c h a r g e d p a r t i c l e s a t S W S 1o r S W S 2图9 前段慢波结构中段设置不同发射粒子和后段慢波结构中段设置不同发射粒子时器件输出功率对比(K a 波段
)F i g .10 C o m p a r i s o no f t h e p h a s e s p a c e d i a g r a ma m o n g o r i g i n a l s i t u a t i o n ,s e t t i n g e x p l o s i v e e m i s s i o no f e l e c t r o n s a n dh y d r o g e n i o n s a t S W S 1a n d s e t t i n g e x p l o s i v e e m i s s i o no f e l e c t r o n s a n dh y d r o g e n i o n s a t S W S 2图10 15n s 时原模型与前半段设置爆炸发射电子
和氢离子时的相空间图及后半段设置爆炸发射电子和氢离子时的相空间图 限于模拟时间的限制,仅模拟20n s ,图9分别为前段慢波结构和后段慢波结构产生不同类型等离子体时微波源的输出
功率对比㊂前半段慢波结构仅设置爆炸发射氢离子和氧离子
时,输出功率与原始模型相同,表明仅有正离子存在时,对器件
工作没有影响;电子是影响输出功率的主体,当同时有正离子
时,这种影响会得到加强㊂K a 波段得到的规律与X 波段结果
相同,但从图9(b )上看出,后半段慢波结构产生等离子体时,功率下降很剧烈,并且当同时存在电子和正离子时,出现了明
显的微波功率截止㊂
从图10的相空间图对比中可以看出,
前半段设置等离子体对电子束的调制影响很小,而后半段设置等离子时对电子束
的调制产生了剧烈的影响,这是导致输出微波功率大幅下降甚
至截止的根本原因㊂
需要指出的是前段设置等离子体时,所有情况下输出微波的频率均为32.262G H z ,进一步说明爆炸发射粒子并未对电子束和微波产生影响㊂分析对比当在后段设置等离子体时,这几种情形下输出微波的频率㊂当仅设置电子爆炸发射时,输出微波频率为32.513G H z
,当同时设置爆炸发射电子和氢离子时,输出微波频率为32.664G H z ,当同时设置爆炸发射电子和氧离子时,输出微波频率为32.563G H z ㊂可以发现相对于原始模型,爆炸发射粒子后频率向高频漂移了300~400MH z 左右㊂此外,
当强激光与粒子束
043002-5 同时爆炸发射电子和氢离子时,除了32.664G H z 的主频,还有一个间隔相当近的频率,为32.463G H z ㊂这进一步说明了后半段慢波结构产生等离子体时,会对器件工作造成严重影响㊂
与X 波段的微波源相比,相同密度的击穿等离子体对K a 波段微波源的工作影响很大,
这一方面是因为尺寸原因,K a 波段微波源的工作对高频结构尺寸和电子束参数的要求较高,
当等离子体改变器件高频特性,影响束波作用时,会带来严重的影响㊂另一方面,模拟中的K a 波段微波源是同轴结构,
等离子体更易改变结构高频特性并产生二次电子,进而影响微波源工作㊂3 结 论
本文采用粒子模拟的方法,分别研究了不同位置㊁不同种类等离子体对一个X 波段相对论返波管振荡器和一个K a 波段相对论返波管振荡器工作性能的影响,
得到以下结论㊂对于分段式慢波结构,由于后段是束波作用的主要区域,其产生等离子体对微波源工作的影响更大;当等离子体由电子和质量较轻的离子组成时,对微波源工作的影响最大;等离子体对高频段微波源的影响更大,会导致剧烈的功率下降甚至截止㊂随着微波源单管功率的不断提高,即便是高过模器件,其金属高频结构表面也承受着相当大的电场,面临着强场击穿的问题㊂通过本文的研究,表明射频击穿对微波源的正常工作影响很大,需在设计和实验中加以考虑㊂
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Y u a n g Y u z h a n g , Z h a n g J u n , B a i Z h e n , Z h o n g H u i h u a n g (I n s t i t u t e o f H i g hP o w e rM i c r o w a v eT e c h n o l o g y ,C o l l e g e o f A d v a n c e dI n t e r d i s c i p l i n a r y S t u d i e s ,N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s eT e c h n o l o g y ,C h a n g s h a 410073,C h i n a ) A b s t r a c t : R Fb r e a k d o w n o f t h em e t a l l i c h i g h f r e q u e n c y s t r u c t u r e s i s a n i m p o r t a n t r e a s o n o f p o w e r d e c r e a s e a n d p u l s e s h o r t -e n i n g ;i t i s a l s o a n i m p o r t a n t l i m i t a t i o no f t h e d e v e l o p m e n t o f h i g h p o w e rm i c r o w a v e (H P M )t oh i g h e r p o w e r a n d l o n g e r p u l s e .T h e p h y s i c a l p r o c e s s o fR Fb r e a k d o w n i s p r e t t y c o m p l i c a t e d ,a n d t h e e x p e r i m e n t r e s e a r c ho fR Fb r e a k d o w n i sh a r d t oc o n d u c t ,t h u s s i m u l a t i o n r e s e a r c hb e c o m e s a n i m p o r t a n tm e t h o d .W e s i m u l a t e d t h e i n f l u e n c eo f p l a s m ao nt h e p e r f o r m a n c eo f a nX -b a n d R B WOa n daK a -b a n dR B WOb y s e t t i n g e l e c t r o na n d i o ne m i s s i o n f r o mt h e s u r f a c eo fS W S s .T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h e f o r m a t i o no f p l a s m a i nb a c kS W S sw i l l i n f l u e n c e t h e p e r f o r m a n c e o fR B WOb y i n f l u e n c i n g t h e e l e c t r o nb e a m.W h e n t h e p l a s -m a c o n s i s t s o f l i g h t i o n s a n d e l e c t r o n s ,i tw i l l b r i n g s t r o n g e r i n f l u e n c e o n t h e b e a m w a v e i n t e r a c t i o n ,l e a d i n g t o p o w e r d e c r e a s e i n ah i g hd e g r e e .T h eb r e a k d o w n p l a s m ah a s ab i g g e r i n f l u e n c e o n t h eK a -b a n dR B WOt h a nX -b a n dR B WO. K e y w o r d s : h i g h p o w e rm i c r o w a v e ; R B WO ; R Fb r e a k d o w n ; P I Cs i m u l a t i o n P A C S : 52.80.P i ; 52.65.-y ; 52.20.F a 袁玉章等:等离子体对相对论返波管工作影响的粒子模拟。