170GHz回旋管的粒子模拟研究

【摘要】： 回旋管作为非常重要的一类微波毫米波源,可用于雷达、工业烧制以及可控核聚变反应的电子回旋谐振加热(ECRH),具有广阔的军事和民用前景,其研制受到各国的重视。本论文的理论基础为电子回旋脉塞的线性理论,选取了工作频率在170GHz、模式为TE3 4,19的回旋振荡管进行研究和模拟,并且对于单、双电子注同轴腔回旋管进行分析比较。 本文首先以电子回旋脉塞的动力学和线性理论,对高功率同轴腔回旋管进行了分析。采用大体积同轴腔体既能解决腔体的散热问题,又能比较好的抑制模式竞争。在圆柱腔中加入内导体,可以使工作模式附近的频谱变稀薄。首先讨论了同轴腔回旋管中内外半径的比值对模式选择特性的影响,分析了TE3 4,19模式内外半径比C值与特征值的关系。接着分析了注波耦合系数,并对TE3 4,19模式下的注波耦合系数进行计算,得出了所需要的电子回旋中心半径。然后研究了同轴腔单、双电子注同轴腔回旋管的模式竞争问题,发现同轴腔双电子注回旋管可以更好的抑制模式竞争。 然后在确定部分腔体和电子注参数后,使用常用的粒子模拟软件MAGIC,对170GHz单、双电子注同轴腔回旋管分别进行模拟,得到其2D和3D结构图和输出功率、工作频谱、工作电压等图形。模拟结果显示,单、双电子注工作频率都为170GHz,其工作状态比较稳定。其中单电子注输出功率已经达到兆瓦级,而双电子注输出功率基本为单电子注的两倍。最后分析了外加电场、电子注引导中心半径和电子注纵横速度比分别对单、双电子注同轴腔回旋管输出功率的影响。