行波管的注-波互作用模拟与相位计算

为了对螺旋线行波管注-波互作用这一复杂物理现象进行快速的实时跟踪模拟与分析,采用T型有耗L.Brillouin模型,有机结合时域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)与粒子模拟(Particle-In-Cell,PIC)技术,建立了行波管的非线性互作用计算体系。在此基础上,采用C语言自主研发了运行稳定的计算程序。应用这一研究成果,对某支成熟管型的行波管开展模拟研究,增益模拟结果与实测数据的偏差小于6.1%。     

极坐标系下等离子体模拟的粒子推进算法

提出了一种在极坐标系下快速推进带电粒子的等离子体粒子模拟算法,该算法在每个时间步长内对带电粒子位置附近的区域采用局部直角坐标系近似,并通过坐标变换,得到粒子运动方程求解的显式格式,从而避免了极坐标系下隐式格式直接迭代求解所带来的容许误差,并提高了计算效率.数值实验表明:显式粒子推进算法的计算速度比容许误差取10-3时的隐式算法提高了约1倍.该算法可用于轴向均匀等离子体器件和高功率微波器件的2 5维粒子模拟.     

5千瓦霍尔推力器磁场优化及Particle-In-Cell性能仿真

为了提升兰州空间技术物理研究所研制的一种5 k W霍尔推力器LHT—140的性能,采用ANSOFT软件进行了磁场优化设计,将磁场径向分量的轴向梯度提高了47%,相同励磁激励下放电通道中的磁场强度提高了38%。建立了一个R-Z平面内的二维particle-in-cell(PIC)等离子体模型,对磁场优化后推力器的性能进行了仿真分析,预估其在300~800 V放电电压、10~15 mg/s流率范围内,推力提升了9.6%~22.1%,效率提升了8.7%~19.3%。性能验证试验表明磁场优化后在相同放电电压与流率下,性能提升的测试值高于仿真值。     

Electron dynamics in collisionless magnetic reconnection with a PIC simulation

Two-dimensional particle-in-cell (PIC) simulation is used to investigate electron dynamics in collisionless magnetic reconnection, and the proton/electron mass ratio is taken to be m _i /m _e = 256. The results show that the presence of a strong initial guide field will change the direction of the electron flow. The electron density cavities and the parallel electric field can be found in the electron inflow region along the separatrix, and the electron inflow and density cavities only appear in the second and fourth quadrants. What is different from the results with a smaller mass ratio is that new structures appear in the diffusion region near the X line: (1) Narrow regions of density enhancement and density cavities can be found synchronously in this region; and (2) corresponding to the electron density changes near the X line, the strong parallel electric fields are found to occur in the first and third quadrants. These electric fields perhaps play a more important role in acceleration and heating electrons than those fields located in the density cavities. Supported by National Natural Science Foundation of China (Grant No. 40725013) and Open Research Program Foundation of State Key Laboratory for Space Weather, Chinese Academy Sciences     

大功率太赫兹返波管的数值模拟研究

为了提升传统超高频小功率返波管的工作频率和输出功率,提出了一种过模表面波太赫兹返波管的紧凑结构.其中,慢波系统是在一段过模圆柱波导内壁沿圆周方向平行挖去若干个均匀环形槽构成的,相邻槽间距固定不变.该结构较之传统的单模结构能有效地降低管内电场强度、避免场击穿,提高系统在太赫兹频段的功率容量.采用数值模拟的方法对该慢波系统的结构参数进行了筛选,最终选取波导内半径为2 mm、槽深为0.2 mm、槽宽为0.6 mm、单周期长度为1 mm,共采用17个周期.利用2.5维粒子模拟程序对系统进行了热测实验,在电子注电压为550 kV、电子注电流为350 A的条件下,模拟得到了14.4 MW的峰值功率输出,其能量转换效率达到7.5%,振荡频率高于0.14 THz,时域波形及频谱特性良好.     

介质层对真空微电子三极管特性的影响研究

用粒子模拟程序MACIC模拟了真空微电子三极管的电子学特性，其发射电流由Folwer-Nordheim公式得出．研究了栅极与阴极间介质层对电子发射特性的影响，发现介质层的位置对发射特性有较大的影响．对一个典型结构真空微电子三极管的模拟结果表明，当介质孔半径从0．4μm增加到2．0μm时，发射电流将从0．198μA减小到0．115μA，前人的研究工作中常常忽略了介质层对电子发射特性的影内．同时还得到了电流—电压特性和电子轨迹图等模拟结果．     

一种环形反射板结构同轴虚阴极振荡器

为了提高同轴虚阴极振荡器的能量转换效率,提出了一种环形反射板结构,在阳极箔末端采用一个环形反射板,利用自反馈微波对电子束进行预调制,增强了波-束互作用,提高了能量转换效率.2.5维粒子模拟表明,微波输出功率随反射板的位置呈周期性变化.经过对结构参数的优化,采用距离阴极发射面左端20mm、内径为25 mm的环形反射板,微波输出功率最高.在外加600 kV电压条件下,模拟得到了1.13 GW微波输出功率,其能量转换效率达到8%,频率为4.85 GHz,频谱特性好.     

微波等离子体电子回旋共振放电粒子模拟分析

电子回旋共振放电产生的等离子体在微电子工业中材料加工、空间电推进方面有着广泛的应用。为了研究微波等离子体电子回旋共振的放电特性,使电子回旋共振放电产生的等离子体密度和能量转换效率更高,建立了微波等离子体电子回旋共振放电的1D3V模型,描述了带电粒子在外加静磁场、微波场共同作用下的微观运动。结果表明:微波频率为2.45 GHz时,随着静磁场磁感应强度的增加,平均电子能量先持续增大达到峰值,随后又不断地减小,且在0.087 5 T时电子加速效果最明显,结果符合电子的回旋频率公式,验证了该模型的正确性;共振区域内,发现在0.087 5 T磁感应强度下,微波频率为2.45 GHz下拟合的电子速度分布才与微波电场分布趋势相似,说明微波电场推动了电子运动。这为进一步研究微波等离子体放电的粒子模拟-蒙特卡罗碰撞模拟奠定了基础,也为进一步研究微波等离子体源中粒子产生效率及微波等离子体源的物理性质提供了重要参考。     

数值模拟相对论返波管中电子注参数变化对脉冲缩短现象的影响

脉冲缩短是高功率微波器件中普遍存在的现象,它妨碍了输出微波能量的进一步提高.迄今为止,它仍是高功率微波研究领域中一个尚待解决的问题.本文以相对论返波管为例,用数值模拟的方法研究了电子注参数改变对脉冲缩短现象的影响.研究表明,当该器件运行于脉宽小于100ns的短脉冲时,阴极所发射电子注的膨胀不是导致其中产生脉冲缩短现象的主要因素,但其运行于长脉冲时,则为一重要因素;电子注电压和电流的脉动也会引起脉冲缩短.     

过模高功率太赫兹表面波振荡器优化设计

提出了一种新型过模高功率太赫兹表面波振荡器,其中慢波系统是由一段过模圆柱波导内壁沿圆周方向平行挖去若干个均匀环形槽构成,相邻槽间距固定不变.该结构较之传统的单模结构能有效降低管内电场强度,避免场击穿,提高系统的功率容量.同时,提出了一种基于表面波工作机制的综合选模方案,即通过电动力学结构选模及电子注参数选模相结合,使系统稳定工作于单模表面波状态,从而达到模式选择的目的.该方法能有效解决过模慢波系统内的模式竞争问题.利用2.5维粒子模拟程序UNIPIC对振荡器进行了物理设计和性能优化.得到了一套最优工作参数.在500 kV电子注电压、1.5 kA电子注电流条件下,模拟得到了42 MW的峰值功率输出,振荡频率高于0.14 THz,模式为TM01,信号的时域波形及频谱特性良好.