基于CHIPIC軟件的旭日型可調(diào)諧相對(duì)論磁控管的研究

趙桂蓮 劉大剛 李天明 劉臘群

摘 要： 理論推導(dǎo)了相對(duì)論磁控管中電子與高頻場的互作用機(jī)理，采用CST軟件研究冷腔狀態(tài)下磁控管的[π]模頻率，采用CHIPIC軟件對(duì)磁控管進(jìn)行三維粒子模擬研究，對(duì)比了10腔旭日型可調(diào)諧相對(duì)論磁控管冷熱腔仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了CHIPIC軟件模擬此類器件的正確性。研究結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，頻譜比較純，輸出比較穩(wěn)定，為以后拓展旭日型可調(diào)諧相對(duì)論磁控管的調(diào)諧帶寬奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 相對(duì)論磁控管； 旭日型可調(diào)諧磁控管； CHIPIC； 互作用機(jī)理

中圖分類號(hào)： TN123?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）05?0140?03

0 引 言

相對(duì)論磁控管是傳統(tǒng)磁控管的外推，其利用脈沖功率產(chǎn)生的大電流并采用冷陰極。它實(shí)際上是傳統(tǒng)磁控管向大電流化的延伸，為了產(chǎn)生這樣的大電流需要相對(duì)論電壓[1]。相對(duì)論磁控管由于制造簡單（這掩蓋了其實(shí)際上的復(fù)雜性），近年來得到了迅速的發(fā)展，可以很容易得到GW級(jí)的功率輸出[2]。Bekefi和Orzechowski于1976年首次研制了這樣的器件[3]，其中輸出功率最高的是Palevsky和Bekefi多次詳細(xì)報(bào)告的A6型磁控管[4]。它的高峰值功率吸引了很多國家對(duì)相對(duì)論磁控管展開了一系列的研究：Tomsk的核物理研究所研制的封閉6腔磁控管達(dá)到了10 GW的輸出功率；PI公司研究了相對(duì)論磁控管的高峰值功率與高平均功率的實(shí)現(xiàn)；前蘇聯(lián)核物理研究所研制了第一只相對(duì)論異腔磁控管，輸出功率是8.3 GW。為了使相對(duì)論磁控管更加實(shí)用化和商業(yè)化，相對(duì)論磁控管的研究朝著可調(diào)諧和小型化方向發(fā)展。小型化和緊湊化方向發(fā)展的重要分支是同軸輻射相對(duì)論磁控管，該結(jié)構(gòu)的磁控管有望成為最緊湊的窄帶高功率微波源器件之一[5?6]。國內(nèi)從1993年起開始研究相對(duì)論磁控管，電子科技大學(xué)也從1998年開始對(duì)相對(duì)論磁控管的可調(diào)諧性做了一系列研究，取得了很好的研究成果，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)論磁控管的可調(diào)諧性和永磁包裝，研制出一只具有20%調(diào)諧帶寬，輸出功率為1 GW以上的[S]波段可調(diào)諧相對(duì)論磁控管[7?8]。

除虛陰極外其他高功率微波源目前沒有實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧，而虛陰極在效率和調(diào)諧帶寬上也不及相對(duì)論磁控管[8]，因此，可調(diào)諧性是相對(duì)論磁控管的一大突出優(yōu)點(diǎn)。因此，為了讓可調(diào)諧相對(duì)論磁控管更加的實(shí)用，本文對(duì)旭日型可調(diào)諧相對(duì)論磁控管進(jìn)行了研究。研究思路主要采取理論研究及模擬研究的方法，即先對(duì)相對(duì)論磁控管的高頻特性進(jìn)行理論分析，然后采用CST軟件研究冷腔狀態(tài)下磁控管的[π]模頻率，用CHIPIC軟件對(duì)磁控管進(jìn)行三維粒子模擬研究。之所以采用CHIPIC軟件作熱腔模擬是因?yàn)槠涫俏覈灾餮邪l(fā)的、支持并行計(jì)算的粒子模擬軟件，用它來模擬可以大大減少仿真時(shí)間。

3 結(jié) 語

本文對(duì)旭日型相對(duì)論磁控管進(jìn)行冷腔模擬驗(yàn)證了CHIPIC軟件模擬頻率的準(zhǔn)確性；在此基礎(chǔ)上，用CHIPIC對(duì)相對(duì)論磁控管進(jìn)行三維粒子模擬研究，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了CHIPIC軟件模擬正交場器件的準(zhǔn)確性，為以后拓展帶寬的研究奠定了基礎(chǔ)。調(diào)諧過程中，大腔不變，通過小腔內(nèi)金屬滑塊的調(diào)節(jié)可以使磁控管結(jié)構(gòu)更加緊湊。

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