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磁绝缘线振荡器的研究

刘松  
【摘要】: 磁绝缘线振荡器(MILO)是一种同轴正交场器件,深入研究其内部的电子运动 规律和束波相互作用的物理机制具有重要意义。本文从解析推导,粒子模拟以及实验 研究三个方面对磁绝缘线振荡器的基本物理过程进行了研究,得到了合理而有价值的 结果。 在不考虑电子本身对场影响的前提下,我们采用平板近似对MILO装置中电子的 运动规律进行了解析推导。首先研究了在平板电极系统中只存在正交直流电磁场时单 电子运动规律,得到了相互作用空间中的电子运动轨迹。接着,引入同轴系统中径向 电场和角向磁场的表达式,并且考虑到轴向电流的逐渐减小会导致角向磁场沿轴向的 变化,推出修正后的电子运动轨迹表达式。同时研究了电子的初始出发速度对电子运 动轨迹的影响。根据电流与角向磁场的关系和磁场与电子运动轨迹的关系得到在MILO 中实现磁绝缘所需要的最小负载二极管电流。结果表明电子平均漂移速度决定于阴极 杆半径、负载二极管阻抗、阳极慢波叶片内径和输入电压。在研究了单电子在静态MILO 中的运动规律以后,我们讨论了运动的空间电荷与慢波结构中场的相互作用过程。最 后,我们从能量的观点出发推导出MILO的最大电子效率及相对论效应对电子效率的 影响,得到的结果表明在一定程度上提高输入电压可以提高电子将直流场能转换为交 流场能的效率。 我们对文献报道的L波段的MILO结构建立数学模型进行了数值模拟验证。然后, 对C波段MILO模型进行了数值模拟,研究了其中电子聚束和微波产生的物理过程。 研究了 MILO工作频率和输出功率随几何结构的各个参数的相应变化规律,结果显示 MILO的工作频率随小谐振腔尺寸的增大而减小,输出功率具有最佳值。计算模拟还 表明MILO具有初始工作电压和截止工作电压。在简单型MILO中微波在轴线方向是 π模式,场表现为驻波结构。我们在MILO的阳极慢波结构叶片上引入了渐变结构, 将驻波形式的电场改变为行波形式,微波在轴线方向不再保持π模式,有利于微波能 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 量的输出,此项改进对工作主频影响不大。在输入电压800kV时,模拟得到的渐变型 C波段MILO最大输出功率为5.84GW,此时的工作频率为4,53GHz。据模拟得到的结 果,判断出MILO输出的微波模式是TM模式。 我们加工设计出C波段渐变型MILO并安装在本实验室的强流电子束加速器上进 行了实验研究。对于微波功率的标定问题,我们根掘实验条件,将整个系统划分为几 个部分分别进行了标定,包括:从MILO到接收喇叭组成的特定系统,将该特定系统 简化为一双口网络,并测量出了其S参数,从而计算出与频率密切相关的衰减量a; 对固定衰减器在不同微波频率下的衰减量进行了标定。对晶体检波器在不同频率下的 矿 灵敏度进行了测定;对同轴信号线的衰减量瓣行了标定。实验研究的结果表明,在二 极管电压420kV,u极管电流44hA的条件下,H极管的阻抗凡。9.SO,得到了功率为 133MW的微波输出,工作主频为 4.SM.89GHz。


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