高功率相对论磁控管（Magnetron）的研究

【摘要】： 本论文对相对论磁控管进行了理论研究,并分别开展了C波段、S波段、L波段和P波段的粒子模拟研究。 首先,我们对Hull条件和Buneman-Hartree条件与相对论磁控管的结构参数和谐振频率的关系进行了数值研究。数值计算结果表明:(1)随着有效间隙d的增加,Hull条件曲线上移;(2)不论是通过改变阳极半径r_a来改变d还是通过改变阴极半径r_c来改变d,都有随着d值的增加,Buneman-Hartree条件曲线上升,但阴极的改变对Buneman-Hartree条件的影响更大一些;(3)对于同一阶模中的频率点,随着谐振频率的增加,Buneman-Hartree条件上移;(4)对于相同结构参数下的π模和2π模,π模对应的Buneman-Hartree条件曲线要高一些,2π模对应的Buneman-Hartree条件曲线要低一些。 采用线性理论模型推导了在不考虑电流的情况下的相对论磁控管的色散关系,并通过编程数值求解了一定条件下的色散曲线。为了便于器件的设计,研究了相对论磁控管的色散曲线随器件几何参数的变化情况,得到了一些比较有价值的规律性结论。数值计算结果表明:随着谐振腔的半径和阴极半径的增加,色散曲线下移,谐振频率减小;随着阳极块半径和谐振腔腔角的增加,色散曲线上移,谐振频率增加。这些规律给器件尺寸的设计提供了较好的参考依据。 在粒子模拟中,利用线性理论分析结果,本文首先给出了一个C波段相对论磁控管的物理模型,通过三维PIC模拟软件对相对论磁控管的工作特性和输出特性等进行了研究,一方面验证了线性理论的正确性,另一方面得到了初步的模拟结果。为了优化器件,本文分别从工作参数、结构参数和阴极帽的影响三个方面模拟分析了其对器件输出特性的影响,得到了许多有规律性的结论,同时也进一步验证了线性理论得到的色散曲线的正确性。最后经过参数的优化,本文得到了较好的模拟输出结果:在注入的电子束的能量和束流分别为1.04MeV和20.3kA,外加磁场为B=0.7T时,输出微波的平均功率约为4.38GW,频率为4.37GHz,效率为20.7%。 本文还分别对S波段、L波段和P波段的相对论磁控管进行了模拟研究,通过模拟分别找到了能输出这三个波段的相对论磁控管的结构参数和工作参数。在适当的结构参数下,注入的电子束的能量和束流分别为746.9keV和16.4kA,外加磁场B=0.7T时,得到了S波段的微波输出,输出微波的平均功率为3.59GW,频率为3.42GHz,效率约为29.3%;在适当的结构参数下,注入的电子能量为1.17MeV,电子束流为8.9kA,外加磁场B=0.4T时,得到了L波段的微波输出,输出微波的平均功率约为1.40GW,频率为1.70GHz,效率约为13.4%;在适当的结构参数下,注入的电子能量为856keV,电子束流为5.36kA,外加磁场B=0.45T时,得到了P波段的微波输出,输出微波的平均功率约为1.0GW,频率为0.93GHz,效率约为21.6%。其中,关于P波段的相对论磁控管的研究,从国内外的文献上看还鲜有报道,因此对P波段相对论磁控管的进一步研究具有参考意义。 同时,本论文通过对相对论磁控管色散关系曲线的分析和模拟优化,得到了可以只通过改变工作电压和外加磁场来对相对论磁控管输出微波的频率进行调谐的结论,并在模拟研究中给出了能实现这种调谐的相对论磁控管的结构参数,模拟实现了只通过改变工作电压和外加磁场用同一支相对论磁控管分别输出C波段和S波段的微波。 论文最后对C波段相对论磁控管进行了初步的实验设计。