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高功率磁绝缘线振荡器研究

秦奋  
【摘要】: 磁绝缘线振荡器(MILO,Magnetically Insulated Transmission Line Oscillator)是一种GW级的低阻抗正交场振荡器(crossed-field oscillator)。它不需要外加磁场,其内部产生的直流磁场阻止电子从阴极发射到阳极。这种自绝缘机制杜绝了阴阳极间的电子击穿,允许较高的外加电压和较高的输入功率。由于无需外加引导磁场,使得MILO在器件小型化、结构紧凑化等方面具有得天独厚的优势。MILO成为目前高功率微波器件研究的热点之一。本论文从MILO工作原理入手进行理论分析,对MILO的高功率运行进行了数值模拟和实验研究。 本文研究内容主要包括以下几个方面: 1.介绍了高功率微波源研究背景,对MILO发展的历史作了简要回顾。阐述了目前国内外MILO研究的现状与未来趋势并简要说明了MILO的基本工作原理。 2.从MILO工作原理入手,分析器件中束波作用机理。根据MILO的工作特性进行理论分析,总结出了MILO设计时各个参数的选取方法。 3.对L波段高功率MILO进行数值模拟以及实验研究。对已有L波段阶梯阴极型MILO进行模拟优化,在输入电压568 kV,电流53.3 kA的条件下,得到5.5 GW的微波输出,工作频率1.2 GHz,功率转换效率为18.2%。开展了高功率MILO的实验研究。首先介绍了L波段高功率MILO的实验研究。典型实验结果为在工作电压675 kV,电流59 kA条件下输出微波功率2.59 GW,频率为1.23GHz,功率转换效率6.5%,微波脉宽15 ns。实验测得微波功率偏小,脉宽相对绞窄。分析了天线功率容量不足是导致输出微波功率偏小以及脉宽较窄的主要原因,设计出了满足高功率MILO功率容量要求的TEM-TM_(01)模式转换器及辐射系统并加以实验验证,最终得到了大于3 GW,脉宽约50ns的高功率微波输出。 4.提出了一种四腔阶梯阴极型MILO并进行了初步研究。先对L波段四腔阶梯阴极型MILO进行了数值模拟研究,结果显示该器件功率转换效率较高:在束压667 kV的条件下能得到高于20%的功率转换效率。其后对该器件的初步实验研究结果进行了简要介绍。初步实验结果表明,四腔阶梯阴极型MILO能单频稳定工作在基模。最后还模拟研究了P波段的四腔阶梯阴极型MILO,工作频率为0.87 GHz。在束压596 kV束流50 kA的条件下,平均输出功率为5.6 GW,转换效率为18.7%。


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