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双频磁绝缘线振荡器的理论与实验研究

陈代兵  
【摘要】: 双频磁绝缘线振荡器(Bifrequency Magnetically Insulated Transmission LineOscillator,BFMILO)是一种低阻抗正交场高功率微波器件,它不仅具有磁绝缘线振荡器的优点,还具有能够稳定地同时输出两个频率的高功率微波(HPM)的特点,同时,能够产生稳定输出的双频HPM器件是一个新兴的研究方向,将具有重要的学术价值和实际应用,目前尚未见到相关报道。因此,论文提出了BFMILO的设想,建立了BFMILO的模型,开展了理论分析、粒子模拟,优化设计出了L波段BFMILO,并开展了原理性实验研究,从理论和实验上验证了产生稳定输出双频率HPM的BFMILO的可行性。同时,论文还对BFMILO的相关技术以及其它双频及多频高功率微波器件进行了初步的研究。 论文主要研究内容包括以下几个方面: 1.介绍了HPM研究背景,MILO的基本原理及国内外发展现状,进而阐述了BFMILO的研究意义。 2.提出了通过在旋转对称的常规单频率MILO内部设置谐振腔深度的角向分区来实现双频率HPM输出的思想,建立了BFMILO的物理模型,分析了BFMILO的工作原理和工作特点,开展了L波段BFMILO的设计;并采用数值计算的方法研究了L波段BFMILO的高频特性,得到了BFMILO的冷腔的谐振频率,场分布,Q值等信息,分析结果表明:谐振腔深度的角向分区分别对应着BFMILO的两个工作频率,角向分区的谐振腔可以分区工作。 3.采用三维粒子模拟程序对BFMILO进行了数值模拟研究与优化设计,研究了输出微波功率以及输出微波频率与输入电压的关系,以及微波的频谱特性;并研究了角向分区不同比例的BFMILO的微波产生特性,得到了热腔条件下的微波场分布,电子的相空图,输出微波的总功率和微波频率的变化等特性。在电子束电压为530 kV,电流为45.5 kA的条件下,所优化设计出的L波段BFMILO输出的双频微波信号频率分别为1.28GHz和1.50 GHz,周期平均功率约为2.65 GW,功率效率约为11%,两个频率谱的幅度相差约0.4 dB。粒子模拟研究进一步揭示了BFMILO内束-波互作用分区工作的规律。 4.开展了L波段BFMILO的实验研究,建立了L波段BFMILO的实验系统和测量系统,开展了二极管与阴极材料的发射特性研究,热测试了BFMILO的辐射方向图,通过辐射场功率密度积分得到了微波的总功率,首次得到了稳定的双频率的L波段BFMILO。在电子束电压约为420 kV,管电流约为34 kA的条件下,L波段BFMILO输出的双频HPM的频率分别为1.26GHz和1.45GHz,对应的微波功率分别为398MW和222MW。实验结果验证了BFMILO产生稳定的双频HPM的可行性,为双频HPM器件研究初步探索了一个新方向。 5.开展其它结构的双频和多频HPM器件的尝试性研究,进一步拓展了双频微波器件的研究内容。


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