第11卷 第1期强激光与粒子束V o l.11,N o.1 1999年2月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S Feb.,1999 同轴式反射三极管高功率微波源Ξ胡红庆 杨中海(电子科技大学高能电子学研究所,成都610054) 摘 要 运用两维半、全电磁模型的M A G I C程序对同轴式反射三极管中的虚阴极振荡现象进行了粒子模拟研究。
模拟结果表明,同轴式反射三极管的辐射主要由在实2虚阴极之间来回振荡的反射电子提供,得到的微波瞬时峰值输出功率可达兆瓦级,瞬时峰值效率在1%左右,提高效率的方法是在腔中央加一个收集极。
关键词 同轴式反射三极管 虚阴极 粒子模拟 中图分类号 TN321.5 随着强流脉冲技术在效应模拟、惯性约束聚变以及其它高能量密度物理方面的发展,产生了一些主要依赖强流相对论束流的器件,如相对论速调管、虚阴极振荡器等。
与其它微波源相比,通常被称为vircato r的虚阴极振荡器具有物理概念和结构简单等特点,微波辐射的峰值功率可达G W数量级,且调谐方便。
因此这类器件一直是人们研究的热点[1～4]。
同时,又由于它的效率极低(一般只有1%)以及宽带等缺点,因而制约着它的进一步发展。
近年来,利用谐振腔技术实现与虚阴极之间的锁频、锁相[5],以及Kw an和D avis提出的减少反射电子影响的red2 itron结构等[6],都是为了减小带宽,增加微波输出的效率。
目前国内外研究的重点是一种新型的虚阴极振荡器件同轴式反射三极管(CR TV)[7]。
这种类型器件中的虚阴极是由径向收敛的电子束形成的,无需外加引导磁场,可以工作在极高的工作电流上,因此可望得到较高的输出功率及效率。
本文对CR TV器件进行了P I C模拟研究,从中得到了一些有意义的结论。
1 物理模型及模拟方法 本文研究了具有负脉冲阴极及接地阳极这种结构的同轴式反射三极管,如图1所示。
在模拟中将T E M波从同轴真空传输线的右端注入,设脉冲上升的前沿时间为1n s。
当径向场发射二极管中的电场超过2×107V m时,在阴极发射面产生爆炸式发射,径向电子束在二极管加速电场的作用下,通过一阳极薄膜,进入到同轴漂移空间。
由于空间电荷效应的影响,在此区域形成一负的势阱,阻止束流的传输。
当注入束流大于空间电荷限制电流时,将会在阳极薄膜的附近形成虚阴极。
在此条件下,大多数电子被反射回二极管区域,而一些电子则继续向前运动。
在CR TV产生高功率微波输出的物理过程中,电子和场主要在径向相互作用,因而可以忽略当电子在Η方向的运动,因此这可以简化为一个二维问题。
为此我们采用一个二维半全电磁模型的粒子模拟编码程序M A G I C,对该问题进行了P I C模拟研究。
M A G I C采用有限实域差分的方法,自洽地联立求解M axw el方程组和L o ren tz运动方程。
在模拟计算中考虑了粒子在径向和纵向(r和z)的位置变化,速度在三个方向的变化,即Ξ国家863激光技术领域及国家自然科学基金资助课题1998年9月11日收到原稿,1998年12月20日收到修改稿。
胡红庆,男,1968年5月出生,在读博士v Η、v r 和v z 。
F ig .1 CR TV model used fo r the P I C si m ulati on图1 CR TV 模拟结构示意图2 模拟结果及分析讨论 在P I C 模拟中所选用的参数在表1中给定。
在径向r 方向漂移区划分了110个网格,二极管区160个网格;在纵向z 方向划分了110个网格。
阳极薄膜的材料选用铝。
图2是CR TV 系统中粒子的相空间分布随时间的变化。
图2a 给出了初始时刻,粒子在二极管中的加速过程,粒子到达阳极薄膜时,速度达到最大值。
当进到漂移区后,由于空间电荷效应的影响,一部分的粒子处于减速区,而另一部分粒子处于加速区,当t =692.5p s 时,开始形成虚阴极(图2b );当注入电流超过空间电荷限制电流时,随着时间的推移,漂移空间中的势阱将进一步加深,最后必将导致一部分粒子通过阳极薄膜返转回二极管区,即形成虚阴极(图2c );由于是轴对称地向内注入粒子,因此处于加速区的粒子在到达r =0后,在库仑斥力的作用下,也将发生返转,最后被虚阴极捕获。
表1 CRTV 的模拟参数Table 1 The CRTV parameters i n si m ulationcathode radiu s7.2c m andoe radiu s 5.6c m length of anode fo il6.0c m length of em issi on area 4.0c m ex ternal vo ltage 0.35mVlength of ou tpu t w avegu ide 3.0c m th ickness of anode fo il 7×10-5c mden sity of anode fo il 2.702×103kg m3F ig .2 T he particles ’phase space sequence图2 粒子相空间分布随时间的变化401强激光与粒子束第11卷2.1 反射电子频率及虚阴极振荡频率的鉴别 从图2还可以清楚的知道,在同轴式反射三极管中存在着两种形式的振荡,一种是反射电子在实2虚阴极间的来回振荡;一种是虚阴极自身随时间的振荡。
从同轴二极管阴极向内注入的电子,在穿过阳极薄膜进入到漂移空间后,将会激励起r 方向上的电场分量。
在模拟中,在r =2.1c m ,z =9.0c m 的位置设立了一个观察点,所得到的E r 随时间的变化如图3所示。
图4是对图3进行FFT 变换后得到的E r 频谱分析图。
F ig .3 T i m e h isto ry of the radial electric field F ig .4 FFT transfo rm of the electric field E r图3 径向电场E r 随时间的变化 图4 电场E r 的频谱分析图 从图4可以看出,在f =4.0GH z 和f =5.14GH z 处,存在着两个峰值。
分析原因,一个对应着反射电子的振荡,另一个对应着虚阴极的振荡。
为了区分这两个频率对应的机制,须对反射电子的频率特性进行分析。
对阳极表面的反射电流进行FFT 变换,得到了如图5所示的反射电流I 的频谱分析图,它清楚地表明,在f =4.0GH z 处有一峰值。
这种不稳定性只能是由反射电子引起的,因此,说明反射电子在实2虚阴极之间的振荡频率为第一个峰值4.0GH z ,而第二个峰值对应着虚阴极的振荡频率。
F ig .5 FFT transfo rm of current m easured F ig .6 FFT transfo rm of the field energy in in the surface of anode the w ho le si m ulati on area图5 阳极表面反射电流的频谱分析 图6 整个模拟区域场能量的频谱分析2.2 辐射机制的诊断 由前面的分析知道,微波辐射的机制有两种,一种是虚阴极自身随时间的非稳定性振荡所产生的微波辐射;一种是反射电子在实-虚阴极之间来回振荡产生的微波辐射,两种辐射机制相互竞争,对整个模拟区域的场能量进行频谱分析,可诊断出微波辐射的机制。
从图6可知,微波辐射的能量在4.0GH z 处有一峰值,它说明大量电子的动能在反射频率处被转化为场的能量。
因此,辐射主要由反射电子产生。
501第1期胡红庆等:同轴式反射三极管高功率微波源2.3 振荡频率与A 2K 间距及外加电压的关系 除虚阴极自身的振荡外,捕获在实阴极和虚阴极之间势阱中的反射电子也被聚束。
辐射频率f r 满足:f r =1 (4Σ),Σ=∫d 0d r v r,式中d 是二极管的间距。
图7和图8是反射电子在实2虚阴极之间来回振荡的频率随外加电压及A 2K 间距d 的变化。
由图中的曲线可知,反射电子的振荡频率大致与外加电压成正比,与阴阳极间距成反比,均与前面的分析吻合。
F ig .7 T he relati on betw een the frequency of reflexing F ig .8 T he relati on betw een the frequency of reflexingelectrons and the external vo ltage electrons and the A -K gap图7 反射电子的振荡频率与外加电压的关系 图8 反射电子的振荡频率与A -K 间距的关系F ig .9 T i m e h iso ry of the outputted pow er图9 输出功率随时间的变化2.4 微波输出功率及效率的计算 由Poyn ting 积分:P =κE ×H n d A ,可以得到微波输出功率P ,是一个瞬时功率,积分横截面选择在波导的右端开口处。
瞬时峰值效率可由微波输出功率的瞬时峰值与输入功率的瞬时峰值之比而得到Γ=P peak I peak V 。
其中I peak是在阳极薄膜表面测得的二极管峰值电流,它等于注入电流与反射电子流之差。
V 是外加电压。
图9是微波输出功率P out 随时间的变化。
图9表明微波输出功率瞬时峰值可达1.44G W ,通过模拟计算所得到的二极管电流为377.6kA ,因此瞬时峰值效率为1.1%。
通常把虚阴极器件中的电子流分成两个部分,“正确相位”和“非正确相位”。
前者在收敛电子束流的空间电荷场作用下,作减速运动,然后在虚阴极的作用下,被反射回二极管区;同时,“非正确相位”的电子运动到腔的中央后,在库仑斥力的作用下,也将发生返转。
因此,“非正确相位”的电子同样被捕获在互作用区,辐射出的微波场与“正确相位”的辐射场异相。
这就造成了产生低效率微波辐射的原因。
俄罗斯的B .V .A lyokh in 等人提出的解决方案是在腔的中央增加一个收集极,用以移去“非正确相位”的电子,从而提高微波输出效率。
3 结 论 本文运用P I C 模拟的方法研究了在无引导磁场的同轴式反射三极管中,利用虚阴极振荡从而产生高功率微波的物理过程。
模拟研究的结果表明,这种电子束径向注入、能量纵向提取的同轴式反射三极管的辐射机制主要是由反射电子在实虚阴极之间的来回振荡而产生的。
反601强激光与粒子束第11卷射电子的振荡频率与电压成正比,与A 2K 间距成反比。
模拟所得到的微波辐射场的瞬时峰值功率可达1.44G W ,瞬时峰值效率为1.1%。
