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旭日型相对论磁控管的三维仿真研究

赵静  
【摘要】:粒子模拟软件CHIPIC是由我国自主研发的,相对于同类粒子模拟软件,具有图形建模和并行运算的优势。本文在验证CHIPIC软件模拟旭日型相对论磁控管可行的基础上,应用粒子模拟软件CHIPIC对旭日型相对论磁控管进行了并行运算及优化的三维仿真研究。 首先,分别应用国外先进软件和CHIPIC软件对旭日型相对论磁控管进行了建模,并在同样的参数下模拟。对比模拟结果,从而验证CHIPIC软件模拟旭日型相对论磁控管的可行性。分析了CHIPIC软件中三种算法时偏法、高品质因素法、中心差分法对于旭日型相对论磁控管模拟计算的优劣,最终本文采用了高品质因素算法。 接着,在旭日型相对论磁控管中应用粒子模拟软件CHIPIC进行了并行运算,分析了运算时间与并行计算机台数的关系,从而减少运算时间,加快运算速度。当迭代时间为50ns时,运算时间从单台计算机(双核Intel core,CPU 3.00GHz,内存3.25GB)的26.5小时运算时间,减小到6台计算机并行运算的10.6小时。 最后,通过不断地改变旭日型相对论磁控管的结构参数及运行参数,探讨他们对管子振荡,输出功率和效率的影响。模拟发现:(1)调节阴极支撑杆可以有效地提高工作模式π模的起振速度;(2)一定范围内,随着阴极半径的减少,旭日型相对论磁控管的输出功率、效率在增大;(3)一定范围内,随着阴极长度的减少,工作电流在减少,输出效率增大;(4)调整小腔深度,可以平衡大小腔的深度比,选择适中的深度,从而平衡零模分量和模式隔离度的影响;(5)耦合角度的增大有利于降低Q值,从而提高耦合输出的功率,但到一定程度,Q值随耦合角的变化很小;(6)通过对外加电压和磁场的调节,发现工作点在接近同步条件曲线附近的位置得到的输出功率和效率较好。在分析了以上影响因素后,对旭日型相对论磁控管进行了优化,模拟结果表明:当外加电压为750kV,磁场为0.68T时,在2.7GHz的工作频率下,管子的输出功率达到2.6GW,输出效率达到23.7%,起振时间为16ns。


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