基于CHIPIC軟件的旭日型可調諧相對論磁控管的研究

趙桂蓮 劉大剛 李天明 劉臘群

摘 要： 理論推導了相對論磁控管中電子與高頻場的互作用機理，采用CST軟件研究冷腔狀態下磁控管的[π]模頻率，采用CHIPIC軟件對磁控管進行三維粒子模擬研究，對比了10腔旭日型可調諧相對論磁控管冷熱腔仿真及實驗結果，驗證了CHIPIC軟件模擬此類器件的正確性。研究結果表明，仿真結果與實驗數據基本一致，頻譜比較純，輸出比較穩定，為以后拓展旭日型可調諧相對論磁控管的調諧帶寬奠定了基礎。

關鍵詞： 相對論磁控管； 旭日型可調諧磁控管； CHIPIC； 互作用機理

中圖分類號： TN123?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）05?0140?03

0 引 言

相對論磁控管是傳統磁控管的外推，其利用脈沖功率產生的大電流并采用冷陰極。它實際上是傳統磁控管向大電流化的延伸，為了產生這樣的大電流需要相對論電壓[1]。相對論磁控管由于制造簡單（這掩蓋了其實際上的復雜性），近年來得到了迅速的發展，可以很容易得到GW級的功率輸出[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多次詳細報告的A6型磁控管[4]。它的高峰值功率吸引了很多國家對相對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腔磁控管達到了10 GW的輸出功率；PI公司研究了相對論磁控管的高峰值功率與高平均功率的實現；前蘇聯核物理研究所研制了第一只相對論異腔磁控管，輸出功率是8.3 GW。為了使相對論磁控管更加實用化和商業化，相對論磁控管的研究朝著可調諧和小型化方向發展。小型化和緊湊化方向發展的重要分支是同軸輻射相對論磁控管，該結構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]。國內從1993年起開始研究相對論磁控管，電子科技大學也從1998年開始對相對論磁控管的可調諧性做了一系列研究，取得了很好的研究成果，實現了相對論磁控管的可調諧性和永磁包裝，研制出一只具有20%調諧帶寬，輸出功率為1 GW以上的[S]波段可調諧相對論磁控管[7?8]。

除虛陰極外其他高功率微波源目前沒有實現可調諧，而虛陰極在效率和調諧帶寬上也不及相對論磁控管[8]，因此，可調諧性是相對論磁控管的一大突出優點。因此，為了讓可調諧相對論磁控管更加的實用，本文對旭日型可調諧相對論磁控管進行了研究。研究思路主要采取理論研究及模擬研究的方法，即先對相對論磁控管的高頻特性進行理論分析，然后采用CST軟件研究冷腔狀態下磁控管的[π]模頻率，用CHIPIC軟件對磁控管進行三維粒子模擬研究。之所以采用CHIPIC軟件作熱腔模擬是因為其是我國自主研發的、支持并行計算的粒子模擬軟件，用它來模擬可以大大減少仿真時間。

3 結 語

本文對旭日型相對論磁控管進行冷腔模擬驗證了CHIPIC軟件模擬頻率的準確性；在此基礎上，用CHIPIC對相對論磁控管進行三維粒子模擬研究，與實驗結果進行對比，驗證了CHIPIC軟件模擬正交場器件的準確性，為以后拓展帶寬的研究奠定了基礎。調諧過程中，大腔不變，通過小腔內金屬滑塊的調節可以使磁控管結構更加緊湊。

參考文獻

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