多電子束發射相對論返波管的三維數值模擬

陳再高，王 癑

（1.西北核技術研究所，西安710024；2.西安交通大學 電子與信息工程學院，西安710049）

多電子束發射相對論返波管的三維數值模擬

陳再高1，2，王 癑1

（1.西北核技術研究所，西安710024；2.西安交通大學 電子與信息工程學院，西安710049）

在X波段相對論返波管中引入多電子束發射陰極，采用三維共形全電磁PIC粒子模擬軟件對返波管進行了模擬。結果表明：多電子束發射陰極的面積為環形陰極面積的20%，產生的電流與環形陰極相同；采用多電子束發射陰極的相對論返波管能穩定地輸出功率。與采用環形陰極的相對論返波管相比，由于多電子束發射陰極所產生的電子束與電磁波的相互作用降低，器件的輸出功率下降11%，達到穩定輸出功率的時間延遲5 ns。

高功率微波；相對論返波管；三維共形全電磁PIC模擬；多電子束發射陰極

在對多個相對論返波管進行功率合成時，相對論返波管輸出功率的同步性及相位的一致性對功率合成的效果有較大影響，多電子束發射陰極能很好地保證陰極電子發射的同步性，有效提高器件的工作時長及重復頻率工作的穩定性。由于多電子束發射陰極的引入使器件變成非軸對稱結構，無法采用2.5維粒子模擬軟件對器件進行數值模擬研究，因此，本文采用三維共形全電磁PIC粒子模擬軟件對均勻爆炸電子發射的X波段相對論返波管及多電子束發射陰極的X波段相對論返波管進行了數值模擬研究［6- 9］。

1 均勻爆炸電子發射時X波段相對論返波管數值模擬

當整個陰極發射面均采用爆炸電子發射時，采用三維共形全電磁PIC粒子模擬軟件對相對論返波管器件結構進行了模擬，器件的三維模型如圖1所示，模擬結果如圖2－圖6所示。其中，圖2為二極管電壓隨時間的變化，當注入波電壓穩定后，二極管陰陽極之間的電壓為940 k V。圖3為陰極面發射的電流隨時間的變化，穩定后的電流為16.3 k A。圖4為器件的輸出功率，可以看出，器件的平均輸出功率達4.74 GW。圖5為器件功率輸出端口處電場隨時間的變化。圖6為電場頻譜分布圖，器件的工作頻率為9.89 GHz。

圖1 相對論返波管的三維模型Fig.1 3D sketch map of RBWO

圖2 高壓二極管電壓隨時間的變化Fig.2 Diode voltage vs.time

圖3 爆炸發射的電流隨時間的變化Fig.3 Emitted current vs.time

圖4 輸出功率隨時間的變化Fig.4 Output power vs.time

圖5 輸出端口處電場隨時間的變化Fig.5 Electrical field strength vs.time at output port

圖6 輸出端口處電場的頻譜分布圖Fig.6 Spectrum of electrical field at output port

2 多電子束發射X波段相對論返波管數值模擬

對多電子束發射陰極的相對論返波管模擬時，慢波結構、注入波參數、輸出端口參數均與第1節中所模擬的相對論返波管的參數相同，不同之處為將環狀陰極面設計成多電子束發射陰極面，如圖7所示。多電子束發射陰極中，小陰極發射面為36個，均勻分布在整個陰極支撐桿上，每一個小陰極面所對應的角度為2°，間隔為8°，沿著軸線方向開槽的長度為5 mm，數值模擬結果如圖8－圖13所示。其中，圖8為高壓二極管電壓隨時間的變化。圖9為器件的發射電流隨時間的變化，電壓和電流的幅值分別為920 k V和16.9 k A，與圖2和圖3相比，二極管電壓降低，電流升高。圖10為器件的輸出功率隨時間的變化，可以看出，器件的平均輸出功率達4.23 GW，較環形陰極面的相對論返波管輸出功率下降了11%。圖11和圖12分別為器件輸出端口的電場隨時間的變化及頻譜分布圖，頻譜分布與環形陰極面情況下相比變化不大，工作頻率為9.88 GHz。圖13為輸出功率穩定后電子的實空間圖，可以看出電子束被分割為36條。

圖7 多電子束發射陰極示意圖Fig.7 3D sketch map of multi-beam emitter

圖8 多電子束發射時高壓二極管電壓隨時間的變化Fig.8 Diode voltage vs.time for multi-beam emitter

圖9 多電子束發射時爆炸發射的電流隨時間的變化Fig.9 Emitted current vs.time for multi-beam emitter

圖10 多電子束發射時輸出功率隨時間的變化Fig.10 Output power vs.time for multi-beam emitter

圖11 多電子束發射時輸出端口處電場隨時間的變化Fig.11 Electrical field strength vs.time at output port for multi-beam emitter

圖12 多電子束發射時輸出端口處電場的頻譜分布Fig.12 Spectrum of electrical field at output port for multi-beam emitter

圖13 多電子束發射陰極相對論返波管的電子實空間圖Fig.13 Real space of electron in RBWO with multi-beam emitter

采用多電子束發射陰極時，電子的發射面積僅為環形陰極電子發射面積的20%；當器件穩定輸出功率時，多電子束發射陰極所產生的電流比采用環形陰極增加3.7%，見圖3和圖9。這主要是因為采用多電子束陰極時，每一個小陰極發射面的邊緣產生了電場增強效應，導致所發射的電流密度增加；另外，二極管陰陽極之間的電壓與采用環形陰極時相比僅降低2.1%，因此，器件能夠正常起振，工作頻率略有下降。由于多電子束發射陰極面所發射出來的電子束與慢波結構中結構波的相互作用面積變小，電子束與結構波的互作用被削弱，同時，電子束的密度較高，在相同外加引導磁場下，電子束的群聚受到影響，因此，器件的輸出功率有所下降。三維數值模擬結果表明：采用多電子束發射陰極時，器件的工作模式仍然為軸對稱的TM01模，沒有因為電子束發射角向不均勻的引入而產生高次模。

3結論

采用三維共形粒子模擬軟件對環形陰極面的相對論返波管及多電子束發射陰極面的相對論返波管進行了模擬研究，結果表明與采用環形陰極面的相對論返波管相比，采用多電子束發射陰極時，器件仍然能夠正常起振，達到穩定輸出功率的時間延遲5 ns，輸出功率下降了11%。下一步將開展數值模擬研究，探索提高多電子束發射陰極相對論返波管的輸出功率及縮短起振時間的方法。

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Three-Dimensional Numerical Simulation of Relativistic Backward Wave Oscillator with Multi-Beam Emitters

CHEN Zai-gao1，2，WANG Yue1
（1.Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，China；2.School of Electronic and Information Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China）

A multi-beam emitter was used in an X-band RBWO，and was simulated with a self-developed three-dimensional conformal particle-in-cell code.The simulation results show that the multi-beam emitter has an area only 20%of the annular emitter，but can almost emit the same-sized current，as a result，the RBWO with multi-beam emitter can also have a steady output power.In contrast with the RBWO with annular emitter face，the output power of the RBWO with multi-beam emitter reduces by 11%due to the decrease in beam-wave interaction，and the time to reach steady output power increases by 5 ns.

high power microwave；relativistic backward wave oscillator；three-dimensional conformal particle-in-cell simulation；multi-beam emitter

TN811

A

2095- 6223（2015）02- 102- 05

2015- 03- 27；

2015- 04- 15

國家自然科學基金資助項目（61231003）

陳再高（1983－），男，湖北天門人，助理研究員，博士研究生，主要從事瞬態電磁場理論及數值模擬研究。

E-mail：chenzaigao＠nint.ac.cn表明：速調管與相對論返波管的混合結構能提高器件的輸出功率［2］，速調型相對論返波管在慢波結構的前端加入速度調制腔，可對入射電子的速度進行預調制；同時，在慢波結構末端加入功率提取腔，能進一步促進強流相對論電子束與微波場之間的能量交換，大幅提高器件的輸出功率。采用遺傳算法與全電磁PIC粒子模擬算法相結合，能對非均勻慢波結構相對論返波管進行優化設計，調節結構波的相速度，使電子束能更好地與電磁波進行能量交換，從而提高器件的輸出功率［3 4］。隨著相對論返波管輸出功率的提高，器件內部發生擊穿而引發脈沖縮短現象的可能性不斷增加，采用功率合成的方法能有效產生更高的輸出功率［5］，減少單管的輸出功率水平，提高相對論返波管的穩定性。

高功率微波在粒子加速器、等離子體加熱、功率傳輸、高功率雷達等方面有很大的應用潛力［1］。相對論返波管是最有潛力的高功率微波源之一，它利用慢波結構中的結構波與環形相對論電子束相互作用，產生自身振蕩與放大，形成相干高功率微波輻射，具有輸出功率高、互作用效率高、頻段較窄等特點。一直以來，高峰值功率、長脈沖、重復頻率及低引導磁場是高功率相對論返波管的研究熱點。輸出功率是高功率微波器件的重要設計指標之一，研究人員為提高器件的輸出功率做了大量的工作。研究