磁绝缘线振荡器及其相关技术研究

【摘要】： 磁绝缘线振荡器(Magnetically Insulated transmission Line Oscillator,MILO)是一种相对新型的、用于产生吉瓦级高功率微波的正交场器件,是当前高功率微波研究领域的主要热点之一。 论文通过对MILO的理论及相关技术进行深入研究,系统提出了MILO设计的基本原则和步骤,并据此成功地研制了一个1.76GHz紧凑型MILO。在不同的运行条件下,该MILO分别实现了两个不同的研究目标。此外,还探索研究了一个1.2GHz MILO和一个9.3GHz MILO,提出并模拟研究了一种新型双波段高功率微波源。论文的主要研究内容包括以下几个方面: 1.MILO的理论研究。 在MILO的理论研究中,重点研究了MILO的束波同步条件、工作原理、谐振频率、束波相互作用过程、功率转换效率及色散关系等。首次采用等效电路的分析方法对MILO的单腔及多腔谐振回路进行了理论分析,得到了MILO多腔系统的谐振频率与单腔系统的谐振频率及等效电容之间的关系式,在此基础上得出选择4腔主慢波结构即可确保器件高效稳定运行的重要结论。通过理论研究,为MILO的结构设计奠定了理论基础。 2.MILO的相关技术研究。 在MILO的相关技术研究中,主要对脉冲功率技术、真空技术、阴极结构设计及阴极材料、阳极材料及表面处理、脉冲缩短、重频运行技术及短偶极天线进行了深入研究。通过相关技术研究,为MILO的系统设计奠定了理论基础。 3.深入研究了一个1.76GHz紧凑型MILO。 在1.76GHz紧凑型MILO研究中,依据对MILO理论及相关技术研究的结果,系统提出了MILO设计的基本原则和步骤,并据此设计了1.76GHz紧凑型MILO。通过KARAT程序的模拟优化,确定了1.76GHz紧凑型MILO的结构模型。在不同的模拟条件下,其输出参数优于相应的研究目标。当工作电压为500kV,脉宽为50ns,工作电流为48.3kA时,模拟中微波输出功率为2.53GW,微波脉宽为27ns,微波频率为1.76GHz,功率转换效率为10.5%,阻抗为10.4Ω。当工作电压为525kV,脉宽为80ns,工作电流为50.2kA时,模拟中微波输出功率为2.70GW,微波脉宽为51ns,微波频率为1.76GHz,功率转换效率为10.5%,阻抗为10.4Ω。 在不同的实验运行条件下,该MILO的输出参数也优于相应的研究目标。当工作电压为530kV,脉宽为50ns,工作电流为51kA时,实验测得的微波辐射功率大于2.35GW,微波脉宽大于24.8ns,微波频率为1.775GHz,功率转换效率大于8.7%,阻抗为10.4Ω。当工作电压为550kV,脉宽为80ns,工作电流为53.2kA时,实验测得的微波辐射功率大于3.2GW,微波脉宽大于45ns,微波频率为1.775GHz,功率转换效率大于10.9%,阻抗为10.3Ω。和当前国内外典型的MILO器件相比,该MILO在微波功率、紧凑化程度、功率转换效率和能量转换效率等技术指标方面均具有明显优势。 在后续的实验研究中,对1.76GHz紧凑型MILO的长脉冲运行及重频运行的性能进行了探索,明确了阴极材料放气而导致的真空度降低是影响其长脉冲运行及重频运行的关键因素,并对阴极材料开展了探索研究。 4.在拓展研究中,研究了三个不同的高功率微波器件。 在1.20GHz一体化MILO的研究中,在二极管电压为550kV,电流为47kA的条件下,测得微波辐射功率大于2.3GW,微波脉宽约30ns,频率为1.20GHz,功率转换效率为8.9%。在X波段MILO的研究中,对实验中出现的脉冲缩短问题进行了深入分析,并指出了产生脉冲缩短的原因;最后,提出了一种新型双波段高功率微波源的研究构想,并进行了深入的模拟研究,获得了较好的模拟结果。