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透明阴极相对论磁控管的仿真与实验研究

苏黎  
【摘要】:相对论磁控管作为一种紧凑型高功率微波源,占有重要的位置。经过几十年的研究,人们对于相对论磁控管的认识日趋成熟,其在军事、民用以及科研领域的研究价值显著,潜力巨大。目前,各国研究人员正在努力解决相对论磁控管效率低下的问题,并为此进行了各种研究,并取得了一定的进展。 本文介绍了透明阴极相对论磁控管的发展现状以及取得的成就。首先对透明阴极的工作过程进行了理论分析,对其具有的一些优良属性给出了理论上的依据。然后通过粒子模拟的研究手段对透明阴极相对论磁控管进行计算机仿真研究,并取得良好的仿真结果,证明了透明阴极相对于常规阴极具有起振时间缩短、功率和效率更高,以及模式竞争更小的特性。 在此基础上,对透明结构进行了进一步地改进和研究,提出了改变阴极金属条数目、长度、角向位置、形状以及阴极外围半径的方案,取得良好效果,仿真获得22.1%的最大效率,使得对透明阴极的认识研究进一步加深。 最后,立足现有条件,依据理论分析和粒子模拟结果,设计加工了3种透明阴极结构,并基于一个S波段永磁包装相对论磁控管进行了实验测试,工作电压391.5kV,工作电流23.6kA,工作磁场0.455T,中心频率2.719GHz,实验获得780.3MW的最大输出功率和8.4%的功率转换效率;较之同等实验条件下,采用常规圆柱型阴极,输出功率和效率都有一定幅度的提升,而且辐射脉冲宽度有所增加,频谱更加纯净、模式单一。同时,测试结果也佐证了对透明阴极优化的计算机仿真结论。


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