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      帶螺線盤線圈的Ku波段徑向渡越時(shí)間振蕩器模擬研究

      2018-03-20 05:26:39陳永東
      關(guān)鍵詞:螺線空間電荷電子束

      陳永東

      (四川理工學(xué)院物理與電子工程學(xué)院, 四川自貢643000)

      引言

      在過(guò)去的20多年里,高功率微波(HPM)系統(tǒng)在峰值功率、脈沖能量以及重復(fù)頻率等多個(gè)指標(biāo)上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但HPM系統(tǒng)距離實(shí)際應(yīng)用還面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。在很多應(yīng)用場(chǎng)景中,HPM系統(tǒng)被要求安裝在狹小的、有限功率供給的移動(dòng)平臺(tái)上,這對(duì)HPM系統(tǒng)的體積、重量、效率等指標(biāo)提出了非常嚴(yán)苛的要求。發(fā)展緊湊、輕便、高效的HPM系統(tǒng)成為當(dāng)前HPM研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1]。為實(shí)現(xiàn)HPM系統(tǒng)的小型化和輕量化,通常要求HPM源工作在較低的二極管電壓,引導(dǎo)磁場(chǎng)盡可能低[2],同時(shí)具有較高的束波轉(zhuǎn)換效率等。

      相比于軸向渡越時(shí)間振蕩器(transit-time oscillator, TTO)[3-6],徑向TTO的電子束的電流密度更低,空間電荷效應(yīng)更弱,因此其束波轉(zhuǎn)換效率可能更高,同時(shí)所需要的引導(dǎo)磁場(chǎng)也更低。另外,維持徑向電子束傳輸?shù)墓ぷ麟妷焊?。這幾方面都有利于HPM系統(tǒng)的小型化和輕量化。因此,采用徑向電子束的HPM源在最近的十余年得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究,徑向TTO作為傳統(tǒng)的軸向TTO的變種,是目前最有潛力的徑向HPM器件之一[7-12]。與軸向TTO類似,徑向TTO通常采用高熔點(diǎn)的金屬柵網(wǎng)[7-14],如鎢等引導(dǎo)強(qiáng)流電子束。在某些場(chǎng)合,金屬柵網(wǎng)還扮演微波諧振腔的作用,實(shí)現(xiàn)電子束的調(diào)制和微波能量的提取。采用金屬柵網(wǎng)的TTO最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外的磁場(chǎng)引導(dǎo)徑向電子束傳輸,但是帶柵網(wǎng)的TTO也有很多難以克服的缺點(diǎn)。首先,柵網(wǎng)會(huì)攔截或散射部分電子,這將影響電子束的數(shù)量及品質(zhì),導(dǎo)致器件的效率低下;此外,金屬柵網(wǎng)在強(qiáng)流電子束的轟擊下很容易加熱并熔化,這限制了器件的重復(fù)頻率和工作壽命,同時(shí)轟擊產(chǎn)生的等離子體還會(huì)引起微波脈沖縮短等問(wèn)題[12-13]。為克服帶柵網(wǎng)TTO的上述缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種無(wú)柵網(wǎng)的Ku波段徑向TTO,利用螺線盤線圈產(chǎn)生所需要的徑向磁場(chǎng)對(duì)徑向發(fā)射電子束進(jìn)行引導(dǎo),取代金屬柵網(wǎng)的作用。粒子模擬顯示,器件在電子束電壓300 kV、電流15 kA條件下,可以產(chǎn)生功率2.07 GW、頻率14.86 GHz 的高功率微波,束波轉(zhuǎn)換效率達(dá)34.5%。

      1 徑向磁場(chǎng)產(chǎn)生

      在大部分螺線管線圈的設(shè)計(jì)中,更關(guān)心的是線圈的Bz分布,而對(duì)Br分布不甚關(guān)心[15]。為產(chǎn)生滿足徑向電子束穩(wěn)定傳輸?shù)膹较虼艌?chǎng)分布,重新推導(dǎo)了線圈的磁場(chǎng)分布。圓柱坐標(biāo)系下,電流元產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布可以表示為:

      (1)

      (2)

      式中,I0是線圈電流,a為線圈半徑,z′為線圈的軸向位置。

      根據(jù)式(2),可以給出不同半徑的單匝線圈產(chǎn)生的徑向磁場(chǎng)分布,由圖1中“單線圈”曲線分別給出了半徑a=5 cm、7 cm、9 cm、11 cm的線圈產(chǎn)生的徑向磁場(chǎng)沿徑向的分布??梢钥闯?,Br分布與高斯分布類似,并且Br的最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的半徑與線圈半徑一致。同時(shí),單匝線圈產(chǎn)生的Br沿徑向無(wú)均勻區(qū),因此僅靠單匝線圈的磁場(chǎng)是無(wú)法引導(dǎo)電子束的穩(wěn)定傳輸。進(jìn)一步地,研究了沿徑向圈繞的多匝螺線盤線圈產(chǎn)生的徑向磁場(chǎng):

      (3)

      式中,n為單位半徑的匝數(shù),r1和r2分布是螺線盤的最小和最大半徑。由圖1中“螺線盤”曲線給出了線圈電流950 A、50匝、內(nèi)徑4.4 cm、外徑11 cm的螺線盤產(chǎn)生的徑向磁場(chǎng)分布??梢钥吹?,在半徑5.5 cm到9.7 cm的區(qū)域,Br均超過(guò)了0.3 T 。

      圖1 不同線圈配置下徑向磁場(chǎng)沿半徑方向的分布

      圖2為單螺線盤和雙螺線盤產(chǎn)生的徑向磁場(chǎng)分布對(duì)比,兩單螺線盤分別位于z′=0和z′=22 mm,選取的參考面位于兩個(gè)螺線盤的中點(diǎn)即z=11 mm??梢钥吹?,當(dāng)參考面選擇在兩個(gè)螺線盤中點(diǎn)時(shí),兩個(gè)單螺線盤各自的Br分布完全相同,而雙螺線盤的徑向磁場(chǎng)是單螺線盤的兩倍。圖3是單、雙螺線盤線圈產(chǎn)生的徑向磁場(chǎng)沿軸向的分布??梢钥吹?,單螺線盤的Br分布沿z向是逐漸減小的,而采用雙螺線盤線圈的Br分布在兩螺線盤之間是近似均勻的。因此為保證電子束的穩(wěn)定傳輸,可以采用雙螺線盤線圈在電子束通道內(nèi)產(chǎn)生沿軸向和徑向近似均勻的Br分布。

      圖2 不同線圈配置下徑向磁場(chǎng)沿徑向的分布

      圖3 螺線盤線圈徑向磁場(chǎng)沿軸向的分布

      根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果,可以繞制雙螺線盤線圈的模型如圖4所示。圖5是根據(jù)上述參數(shù)在PIC軟件中建立的雙螺線盤線圈模型產(chǎn)生的徑向磁場(chǎng)分布。由圖5可知,徑向磁場(chǎng)在電子束通道內(nèi)的分布均勻,均勻區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度0.68 T,后續(xù)章節(jié)中將開(kāi)展基于該磁場(chǎng)分布的Ku波段TTO的整管粒子模擬。

      圖4 雙螺線盤線圈模型

      圖5 雙螺線盤線圈產(chǎn)生的徑向磁場(chǎng)分布

      2 徑向電子束的空間電荷勢(shì)能

      如果忽略電子束沿z向的厚度,同時(shí)假定電子束的初始半徑為rb,初始入射相對(duì)論因子為γinj,徑向傳輸線的寬度為L(zhǎng),則電子束的空間電荷勢(shì)能可以表示為[9]:

      (4)

      式中,vb是電子束在徑向傳輸線內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度,I0為電子束電流。由能量守恒,有:

      (5)

      (6)

      電子束達(dá)到空間電荷限制流狀態(tài)的勢(shì)能表示為:

      (7)

      由此,可以給出空間電荷限制電流Iscl:

      (8)

      聯(lián)立式(4)和式(5),可以給出電子束在徑向傳輸線內(nèi)空間電荷勢(shì)能和空間電荷限制電流。圖6是電壓300 kV、電流20 kA的電子束在寬0.7 cm的徑向傳輸線內(nèi)的勢(shì)能以及空間電荷限制電流沿半徑的變化曲線。由圖6可知,隨著半徑的增大,電子束電流密度逐漸減小,由此導(dǎo)致空間電荷勢(shì)能逐漸減小,可提取的電子束動(dòng)能逐漸增加,這也是徑向TTO擁有較高束波轉(zhuǎn)換效率的原因。圖7為徑向傳輸線內(nèi)直流電子束的電子動(dòng)能相空間分布,其也印證了理論分析。由圖7可知,電子束在通過(guò)二極管的加速間隙進(jìn)入到器件內(nèi)部以后,隨著半徑的增加,動(dòng)能逐漸增大。圖6空間電荷限制流曲線可以看出,當(dāng)陰極半徑選擇為5.1 cm, 相應(yīng)的空間電荷限制流為30 kA,高于模擬采用的20 kA,不會(huì)在二極管區(qū)形成虛陰極。

      圖6 勢(shì)能和空間電荷限制電流沿半徑的變化曲線

      圖7 直流和調(diào)制電子束電子動(dòng)能的相空間分布

      3 粒子模擬結(jié)果

      徑向傳輸電子束的引導(dǎo)磁場(chǎng)由雙螺線盤線圈提供。雙螺線盤線圈的均勻區(qū)徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)0.68 T,陰極表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.54 T。由圖8徑向TTO內(nèi)電子束分布可知,陰極爆炸發(fā)射的強(qiáng)流電子束能很好地被雙螺線盤線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)約束,無(wú)電子轟擊管壁。

      圖8 Ku波段徑向TTO模擬模型和電子束分布

      圖9是輸出微波功率的射頻以及包絡(luò)波形,圖10是輸出微波電場(chǎng)頻譜。在電子束電壓300 kV、電流15 kA條件下,器件輸出功率2.07 GW,效率34.5%,頻率14.86 GHz。

      圖9 電子束電壓、輸出微波功率的射頻及包絡(luò)波形

      圖9輸出微波電場(chǎng)頻譜

      4 結(jié)束語(yǔ)

      本文設(shè)計(jì)并研究了一種無(wú)柵網(wǎng)的Ku波段徑向TTO,相比于傳統(tǒng)的有柵網(wǎng)TTO,重復(fù)頻率和工作壽命有了顯著提高。詳細(xì)研究了徑向磁場(chǎng)的產(chǎn)生,并開(kāi)展了帶螺線盤線圈的Ku波段徑向TTO整管粒子模擬。模擬結(jié)果顯示,器件在電子束電壓300 kV、電流15 kA條件下,可以產(chǎn)生功率2.07 GW、頻率14.86 GHz 的高功率微波,束波轉(zhuǎn)換效率達(dá)34.5%。

      [1] BENFORD J,SWEGLE J A,SCHAMILOGLU E.High power microwaves[M].2ndEdition.NewYork:Taylor& Francis,2006.

      [2] LING JP,ZHANG JD,HE JT,etal.A novel Ku-band transit radiation oscillator with external guiding magnetic field[J].Physicsof Plasmas,2014,21(2):1075-1082.

      [3] 令鈞溥. Ku 波段低磁場(chǎng)同軸渡越時(shí)間振蕩器的研究[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué),2014.

      [4] 練琳. Ku波段渡越時(shí)間振蕩器的鎖相研究[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué),2014.

      [5] 何琥.X波段六腔軸渡越時(shí)間振蕩器的理論和實(shí)驗(yàn)研究[D].綿陽(yáng):中國(guó)工程物理研究院,2003.

      [6] 令鈞溥,張建德,賀軍濤,等.改進(jìn)型低阻類膜片同軸渡越時(shí)間振蕩器[J].強(qiáng)激光與粒子束,2013,25(11):2943-2947.

      [7] 吳中發(fā),王玉芝.徑向速調(diào)管振蕩器的理論設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬[J].強(qiáng)激光與粒子束,2000,12(2):211-214.

      [8] 賈云峰,劉永貴,李傳臚.徑向渡越時(shí)間振蕩器的數(shù)值模擬[J].強(qiáng)激光與離子束,2002,14(1):95-98.

      [9] 李少甫,楊中海.新型高功率徑向三腔渡越時(shí)間振蕩器數(shù)值模擬[J].強(qiáng)激光與粒子束,2008,20(2):473-478.

      [10] 臧杰鋒,劉慶想,朱靜.徑向三腔渡越時(shí)間振蕩器數(shù)值模擬[J].強(qiáng)激光與粒子束,2008,20(3):473-476.

      [11] ATMAN M J.Radial acceletron,a new low-impedance HPM source[J].IEEE Transactions on Plasma Science,1996,24(10):964-969.

      [12] DANG F C,ZHANG X P,QI Z M,et al.Simulation investigation of a Ku-band Radial line oscillator operationg at low guiding magnetic field[J].Physics of Plasma,2014,21(6) :70-81.

      [13] KONG L,LIU Q X,Li X Q,etal.Coaxialfoilless diode[J].AIP Advances,2014,4(5):4626-4664.

      [14] CAO YB,HE JT,ZHANG JD,etal.High power microwave generation from the low-impedance transit-time oscillatiorwithout foils[J].Physicsof Plasmas,2012,19(7):0721061-0721064.

      [15] 王華軍,李宏福,溫越瓊.螺線管中磁場(chǎng)的計(jì)算[J].四川輕化工學(xué)院學(xué)報(bào),1999,12(4):23-25.

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