（等离子体物理专业论文）高功率微波源中脉冲缩短现象的粒子模拟与机理研究.pdf

摘要 近年来，为了达到在某些领域对高功率微波技术的实用要求，让高功 率微波源能高效率地输出高能量微波，研究者将研究重点从单纯追求高的 输出峰值功率逐步转向了延长输出微波脉冲宽度，以提高输出微波能量。 但研究发现，此方法又面临一个脉冲缩短的问题。要解决此问题，就必须 深入探讨在高功率微波源中普遍存在的脉冲缩短现象，找到引发此现象产 生的根源。国际上对于此现象的研究在8 0 年代开始萌芽，目前虽取得了 定成绩，但对其物理机理的深层含义还不是很清楚，尚处于摸索阶段； 而在我国，关于这一问题的研究则处于空白阶段，因此本论文的工作具有 一定的探索性质和创新意义。 本论文的主要内容和创新之处包括以下几个部分： 第一：查阅了国内外大量有关高功率微波源中脉冲缩短现象的文献， 归纳分析了引起此现象产生的各种因素以及对此问题研究的发展趋势，选 定了具体研究对象、制定了研究方案。 第二：重点针对高功率相对论返波管( r b w 0 ) 中脉冲缩短现象的机理 进行了研究。以归纳分析所得到的引发r b w 0 中出现脉冲缩短的各种机制 为理论指导，率先采用粒子模拟程序m a g i c ，针对其中数种可能引起r b w 0 中出现此现象的因素分别进行了模拟分析，讨论了其中一些宏观参量对输 出微波脉冲宽度的影响，探索了拓宽脉冲宽度的方法，为能够输出长脉冲 高能量微波的高功率微波器件提供了优化设计依据。 具体包括：r b w o 中存在的中性气体被强流电子注电离、r b w o 内 壁的爆炸发射、阴极等离子体膨胀致使所发射电子注半径发生变化、以及 电子注参量的脉动等因素，各自对输出微波脉冲性能的影响、与脉冲缩短 现象的关系等。 根据机理讨论和粒子模拟分析的结果，找到了限制这类源输出脉宽和 能量的主要原因，提出了如何减弱此现象的影响、延长脉宽、提高输出能 量的一些有益的实际方法：为理论上进一步深入研究此现象提供了参考； 此外，还为模拟研究其它类型高功率微波源中的脉冲缩短现象提供了一般 思路。 关键词：脉冲缩短高功率微波源 相对论返波管粒子模拟 a b s t r a c t i nr e c e n t l ys e v e r a ly e a r s ，i no r d e rt os a r i s f ys o m ep r a c t i c a ld e m a n d sf o r t h eh p mt e c h n o l o g y ，w h i c hi st om a k eh p ms o u r c e se x p o r th i g he n e r g y m i c r o w a v ee f f i c i e n t l y ，t h er e s e a r c h e r sc h a n g et h ei n v e s t i g a t i o nk e y s t o n e f r o mp u r s u i n gm e r e l yt h eh i g ho u t p u tp e a kp o w e rt ol e n g t h e n i n gt h eo u t p u t m i c r o w a v ep u l s ew i d t h h o w e v e r ，b ys t u d y i n gw ef i n dt h a tt h em e a n sf a c e s t h ep u l s es h o r t e n i n gp h e n o m e n o n t or e s o l v et h i sp r o b l e m w em u s td i s c u s s d e e p l yt h ep h e n o m e n o nu n i v e r s a l l ye x i s t i n gi nt h eh p ms o u r c e s ，a n df i n do u t t h eo r i g i no ft h ep h e n o m e n o n t h er e s e a r c ho nt h ep h e n o m e n o nw a sd o n ei n 1 9 8 0 s u pt ot h ep r e s e n tt i m e ，s o m ea c h i e v e m e n t sh a v eb e e no b t a i n e d ，b u t t h ed e e pm e a n i n go ft h ep h y s i c a lm e c h a n i s mh a s n tb e e nu n d e r s t o o d ，a n dh a s b e e ns t i l lg r o p e da f t e r ；t h er e s e a r c ho nt h ep r o b l e mi ss t i l li nb l a n kp h a s e ， a th o m e t h em a i np r o d u c t i o na n di n n o v a t i o no ft h ed i s s e r t a t i o na r el i s t e da s f o l l o w s ： 1 v a r i o u sf a c t o r sr e s u l t i n gi nt h ep u l s es h o r t e n i n gp h e n o m e n o na n dt h e d e v e l o p m e n to ft h er e s e a r c ho nt h ep h e n o m e n o na r es u m m a r i z e d t h e m a t e r i a lr e s e a r c ho b j e c ti ss e l e c t e da n dt h er e s e a r c hp r o j e c ti sc a r r i e do u t 2 t h ep u l s es h o r t e n i n gm e c h a n i s mi nr b w o si ss t u d i e d w e c o m p a r a t i v e l yr o u n d l y s u m m a r i z ea n d a n a l y z e t h ev a r i o u s m e c h a n i s m sc a u s i n gt h ep u l s es h o r t e n i n gi nr b w o s w i t ht h e s em e c h a n i s m s ， s o m ef a c t o r sc a u s i n gt h ep h e n o m e n o na r es e p a r a t e l ys i m u l a t e db yt h em a g i c c o d ef o rt h ef i r s tt i m e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t e dr e s u l t s ，w ed i s c u s st h e i n f l u e n c eo fs o m em a c r o s c o p i c a lp a r a m e t e r so nt h eo u t p u tm i c r o w a v ep u l s e w i d t h ，q u e s tf o rt h em e a n so fl e n g t h e n i n gt h ep u l s ew i d t h ，a n dp r o v i d ea o p t i m i z a t i o nb a s i sf o rt h ed e s i g no ft h ed e v i c e sw i t hl o n gp u l s ea n dh i g h e n e r g ym i c r o w a v eo u t p u t t h ec o n t e n t so ft h es i m u l a t i o n si n c l u d e ：t h ei n f l u e n c eo ft h e i o n i z a t i o no fn e u t r a lg a si nt h et u b eb yt h er e l a t i v i s t i ce l e c t r o nb e a m ，t h e e x p l o s i v ee m i s s i o ni nt h ei n n e rs u r f a c eo fr b w o s ，t h ec h a n g e so ft h e e l e c t r o nb e a me m i s s i o nr a d i ir e s u l t i n gf r o mt h ec a t h o d ep l a s m ae x p a n s i o na n d t h ef l u c t u a t i o no ft h er e l a t i v i s t i ce l e c t r o nb e a mo nt h ep u l s ew i d t ha n do u t p u t p o w e r i i a c c o r d i n gt ot h ed i s c u s s i o na b o u tt h em e c h a n i s m sa n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，w ef i n dt h em a i nc a u s e sl i m i t i n gt h er b w 0o u t p u tp u l s ew i d t ha n d e n e r g y ，b r i n gf o r w a r dt h ep r a c t i c a lm e t h o d so fw e a k e n i n gt h ei n f l u e n c eo ft h e p h e n o m e n o n ，l e n g t h e n i n gp u l s ew i d t ha n de n h a n c i n go u t p u te n e r g y w eo f f e r t h er e f e r e n c et os t u d yt h ep h e n o m e n o nm o r ed e e p l yi nt h e o r y ，a n dp r o v i d ea c o m m o nw a yt os t u d yt h ep h e n o m e n ai no t h e rh p ms o u r c e sb ym e a n so ft h e p a r t i c l e i n c e l lm e t h o d k e yw o r d s ：p u l s es h o r t e n i n g ，h i g hp o w e rm i c r o w a v e ( h p m ) s o u r c e ， r e l a t i v i s t i cb a c k w a r dw a v eo s c i l l a t o r ( r b w o ) ，p a r t i c l e i n - c e l l i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：日期：谚铲年月2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：二嶂导师签名：连 日期：k 仰铲年石月2 日 电子科技大学硕士论文 第一章引言 1 1 高功率微波源中脉冲缩短现象的研究背景及意义 高功率微波( h p m ) 技术是近几年来发展起来的一门新兴技术，由于它 在军事、航天、能源、环保、通讯科技、现代材料以及制造技术等领域有 着广阔的应用前景，因而受到了各国政府以及一些企业的重视【“2 1 ，对处 于高功率微波系统心脏位置的h p m 源进行研究具有重要意义。 就h p m 源的研究过程来看，8 0 年代，高功率微波研究者主要是致力 于提高h p m 源中由强相对论电子注所产生的微波峰值功率；但现在，由 于微波源在某些应用、特别是军事应用上最需要的是高能量而非单纯的高 功率微波，所以研究重点转向了增加微波的脉冲能量。当然，要增加微波 脉冲的能量，通过增加输出微波的峰值功率理论上是可行的。但问题在于， 当峰值功率达到l g w 后，想再进一步提高功率就比较困难了，因为这会 受到其系统能力的限制。例如，当峰值功率很高时易引起器件内表面击穿 和天线的气体击穿等【l 2 3 】。而另一方面，微波脉冲能量除了与功率有关 之外，还与脉冲宽度有密切的联系。 所以，目前为了让高功率微波源能高效率地输出高能量微波，达到在 某些领域对高功率微波技术的实用要求，研究者将研究重点逐步转向了对 于输出微波脉冲宽度的延长，整体上对延长微波脉冲宽度的需求已胜过了 对微波脉冲高峰值功率的追求。但研究发现，此方法又面临一个脉冲缩短 ( 也称脉冲短接) 的问题：即微波实际输出的射频脉冲宽度小于电子注的 脉冲宽度( 如图1 1 ) 【4 】，特别是当脉冲峰值功率大于1 g w 后，随着脉 冲功率进一步增加，其射频脉宽会进一步缩短，从而导致输出能量常常最 终大致趋于一常数( 例如图1 2 ) 【5 。显然，这一现象的出现使得电子注 的许多能量未被充分利用而自白浪费掉，因而大大限制了高功率微波源的 效率以及能量输出。 有关脉冲缩短现象的重要性，我们可以通过下面个简单的推导看 出。令占，为功率的效率，它是瞬时微波功率巴与注的功率之比；令s 。为 能量的效率，它是脉冲微波能量e 。与脉冲电能e 。( 它激发产生了注) 之 比。f 。表示微波脉冲宽度，表示注的脉冲宽度。所以得到关系式： e a = 巴f f ( 1 - 1 - 1 ) 电子科技大学硕士论文 故： e b = 只“ e f p = t4 t ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) 可见，脉冲宽度之比就是能量效率与功率效率之比。当注脉宽一定时，通 过增大功率效率或射频脉宽都可以提高源的能量效率。目前，占。的值一般 约为0 2 0 4 ，但脉冲缩短现象却使得知仍小于o 1 3 1 。故，现应着力于深 入理解脉冲缩短现象，提高射频脉宽。 图1 1高功率微波源中典型 的脉冲缩短现象 由于脉冲缩短现象在高功率微波源中普遍存在，且大大限制了h p m 源的输出射频脉宽以及能量效率，因此，很显然，只有搞清楚脉冲缩短的 形成原因，它到底可不可以避免，如果可以的话又应如何避免等，才能有 效提高源的输出效率以及微波输出能量。 1 2 高功率微波源中脉冲缩短现象的研究动态 下面，我们简要回顾、总结各国学者研究脉冲缩短现象的发展历史、 取得的成绩、以及仍然面临的问题。 1 2 1 研究进程 关于这一现象首先是由俄罗斯学者m e s y a t s 和v o r o n k e v 等于8 0 年代 提出的。当时他们发现，契伦科夫发生器的能量被限制在1 0 焦耳左右， 电子科技大学硕士论文 过模系统中限制在几百焦耳，即使在中等功率时，微波脉冲也比电流脉宽 窄【6 1 。从这一时期开始，前苏联对于此问题的研究蓬勃开展，但由于其研 究成果主要在a 1 1 u n i o nc o n f e r e n c e 上发表且以俄文形式出版，所以对此我 们了解不多。 至于美国，在过去近十年里，对这一问题也非常重视，曾有多个实验 室努力考虑牺牲峰值功率以解决脉冲缩短问题。1 9 8 8 年，美国海军实验室 ( n r l ) 的m f r i e d m a n 博士在研究相对论速调管放大器( r k a ) 时发现 了脉冲缩短的问题。当时，尽管强流相对论电子注( i r e b s ) 的功率为3 g w ， 脉宽1 4 0 n s ，但得到了的r f 功率仅为1 8 g w ，脉宽3 0 - 5 0 n s 。同时，在同 轴腔与矩形波导的连接处发现有r f 击穿产生。当降低i r e b s 功率到 1 2 g w 时，得到了5 0 0 m w 的r f 功率，脉宽为1 4 0 n s ，能量效率也提高 了。随后几年，他们研究了感性加载宽间隙r k a ，使脉冲缩短问题基本得 到解决，器件能量效率达到5 0 ，创历史新高。在美国空军研究实验室 ( a f r l ) 研究的许多微波源中都发现了脉冲缩短现象，其中最好的例子 是磁绝缘线性振荡器( m i l o ) 。1 9 9 5 年，m i l o 在整个5 0 m w 到1 g w 的 输出功率范围内，能量均限制在约5 0 j 。有鉴于此，同年，美国在i e e e i c o p s 会议上提出脉冲缩短问题，并将它作为一个重要课题开始研究。随 后，美国空军科学研究所主持了高功率微波的研究计划一一多组织大学研 究( m u r i ) 计划，包括九所大学和空军实验室1 6 j 。 9 5 年，在加州圣地亚歌举行的s p i e 强微波会议上对此问题进行了进 一步的广泛讨论，提出了其可能产生的原因以及可能的解决办法。9 7 年在 e d i n b u r g h ，u k 举行的关于高功率微波生成和脉冲缩短的国际专题讨论会 上曾对高功率微波源中出现的脉冲缩短现象进行了专题研讨。i e e e 还在 9 8 年第2 6 期中专门汇集了针对该问题所进行研究的数十篇文章【3 j 。 近几年来，对于这一现象的研究己广泛引起各国学者的极大关注，全 世界研究h p m 器件的单位几乎都对此展开了研究。总的说来，进行脉冲 缩短相关研究的研究单位大约有2 3 个。其中美国对此现象的研究最为重 视，有1 2 个研究单位，主要进行传统高功率速调管、相对论磁控管、r k a 、 m i l o 、回旋b w o 、t w t 、p a s o t r o n 、s u p e rr e l t r o n 、等离子体填 充b w o 、相位锁定回旋管、铁电阴极、磁控管密封窗和腔体等方面的脉 冲缩短研究。其次是俄国和英国：俄罗斯有5 个，研究r b w o 、t w t 以 及脉冲缩短理论；英国有4 个，主要研究渐变m i l o 、回旋管、相对论磁 控管、阴极等。此外，还有法国和中国，法国主要研究过模b w o ；中国 主要研究r k a 、相对论磁控管、b w o 、渡越时间振荡器0 7 0 ) 等坤j 。 电子科技大学硕士论文 就我国而言，虽对上述高功率微波器件有一定研究，但重点仍基本集 中于峰值功率的提高，至今，还没有学者对脉冲缩短现象进行专项研究， 未见任何有关此现象的专门的文献报道。仅仅在最近的两三年中，曾有几 篇文献对此现象有所提及，但均未对产生此现象的原因进行进一步说明和 具体分析【8 9 ，”，“】。 结合近年来各国的研究情况可以看出，迄今为止，在有关脉冲缩短现 象产生机理以及如何延长脉冲宽度、增加脉冲能量等方面已取得了一定成 绩( 参看表1 ) 1 3 1 。总的说来，人们通常接受的可以解释高功率微波源中 引起脉冲缩短现象的主要因素大致可分为五类：l 、器件中等离子体的形 成。2 、电子的流动。3 、强电场的击穿。4 、注流的崩溃。5 、管子的设计。 当然，这个划分并不严格，前四类因素本身就不是完全独立的。例如，其 它三种类型都可以引起等离子体的形成。之所以做这样的划分，是为了更 方便地对产生此现象的机理进行分类研究【3 ，5 ，6 】。目前，对于以上各因素对 脉冲缩短现象的影响、它们与脉冲宽度之间的关系，都还基本只限于定性 研究，至于定量关系的研究则很少涉及。 此外，研究还表明，对于不同的微波源，其内部产生脉冲缩短的主要 机理是有所不同的。虽然上面提到的几个因素都有可能导致此现象出现， 但它们对此现象的影响程度却不尽相同，它们之间会相互竞争【3 5 ，6 l 。因此， 这就使得我们除了要对其共性进行基础的分析之外，还需对各种管子分别 进行具体研究，只有这样，才能切实延长各种高功率微波源的输出脉宽， 提高它们的能量和效率。这样一来，对此问题的研究将更趋复杂化，难度 更大。有关的具体内容，在下一章中我们将有所介绍。 表1 h p ms o u r c eo u t p u tp a r a m e t r s 总的说来，迄今为止，国际上对此现象的研究还基本处于摸索阶段， 美、俄等学者虽对其进行了大量实验研究和一些粒子模拟，但对其物理机 4 电子科技大学硕士论文 理的深层含义还不是很清楚，从物理上解析脉冲缩短现蒙的基本理论尚未 建立。各国学者研究所得到的理论以及实验结果的准确性、可靠性在许多 方面都有待进一步验证和深入，许多地方也还需要不断完善和修改。 1 2 2 研究展望 至今，h p m 器件研究的主要问题和将来努力的方向是：脉冲缩短是 否是h p m 源中必然存在的不可避免的现象? 判断获取超过几百焦耳的辐 射能量是否存在障碍? 是否必须采用传统硬管技术才能获得大于1 k j 的 能量? 我们能否推动现在标准的h p m 源或者是利用混合的途径达到几千 焦耳的水平? 【3 ，6 l 这些问题的答案需要等待全世界的大量学者做大量相关 研究才能给出。 为了达到这些目标，研究需要解决两个方面的问题：一是找到脉冲缩 短的根源；另一个是找到可以解决它的多种途径。 根据目前的研究进展，可以总结出指导将来h p m 器件研究工作的几 点建议： 第一：采用p i c 程序粒子模拟找到提高h p m 器件性能的途径，结合 实验研究，可以使功率和脉宽迅速得到提高，这可能是优化h p m 器件设 计的第一步。 第二：在设计长脉冲h p m 器件时，腔体和慢波结构内的场强应低于 1 5 0 k v c m 6 1 。在某些情况下，在与波长相比具有较大结构尺寸( 保持模 式稳定) 的边界上应当设置减轻杂模影响的一些措施，在电子束穿过的路 径上应当没有栅网，这些措施有助于避免不期望的等离子体产生。 第三：对爆炸发射或冷阴极电流发射产生的等离子体必须加以控制。 一种途径是探索与硬管设备相关的不同的阴极技术。这些技术应当容许器 件在5 0 0 c 的洁净环境中烘烤，能够抽高真空 6 1 。此外，为了延长二极管 的闭合，还可选择所形成等离子体离子质量较重的材料，在减轻脉冲缩短 方面，阴极的探索和研究情况起着决定性作用。 第四：采用适当的设计和表面涂敷解决密封窗和其它类型的介质击 穿，在密封窗内应当精心设计，避免电子和韧致辐射诱发等离子体形成， 在密封窗的另一边要避免大气击穿。 第五：进行精心的材料选择和表面处理，避免从吸附的空气和水分子 中产生等离子体。这包括在硬管技术中严格采用的清洁标准。这种清洁步 骤包括清洁元部件、r f 清洗、烘烤；此外，为了得到比通常h p m 器件高 电子科技大学硕士论文 得多的真空，还需要对现在h p m 系统中采用的塑料绝缘子和o 型圈密封 端面进行替换，采用的陶瓷密封和微波输出窗口也应当允许清洁、烘烤和 高真空。但这种为了获取高能量而采用的硬管技术也有一些问题。如，测 试效果时需频繁改变源的参数，资金投入也要增加。另一方面，由于目前 g w 级h p m 器件的独特特性使得等离子体的形成是不可避免的，所以采用 硬管技术对现代h p m 源也并不完全适合。故，学者们正在研究一种将硬管 技术与软管技术( 现代h p m 技术) 相结合的混合技术。 第六：保证束流的稳定传输，避免引起高功率微波源中电子注质量下 降的物理机理，如漂移、湍流、束流的不稳定、空间电荷效应等。由于存 在几种潜在的束流崩溃根源，要达到束流的稳定传输是不容易的。现可以 采用电子束、慢波结构和腔体附近的非浸入式的探针来判断束流传输不稳 定的各种根源【6 】。在束流稳定传输方面，采用等离子体来引导电子束已经 表现出一些优点，表明应该探索改进可控等离子体源来引导束流传输。 此外，为更深入地理解高功率微波源中的脉冲缩短现象，我们还很有 必要进一步探讨等离子体的性质、它的形成机理、它的分布、它对输出微 波性能的影响等；需详细诊断微波场的分布、电子和离子的速度分布等【3j 。 通过上面的分析可见，对这样一个具有较大适用价值、但目前还存在 不少有待进一步深入分析的重要现象进行研究，是具有必要性和一定创新 性的。同时，研究的道路也是较为曲折漫长的。 1 3 本论文的研究内容和章节安排 本论文所做工作，是国家自然科学基金项目和霍英东青年教师基金资 助项目“强相对论线性束器件中脉冲缩短的物理机理研究”课题的第一部 分。 1 3 1 本论文研究的具体对象以及研究方法的选取 这里，我们之所以仅选择高功率相对论返波管中的脉冲缩短现象作为 研究对象，主要是因为： 第一，高功率微波器件中引起脉冲缩短的主要因素可能会因其类型的 不同、具体结构的不同、甚至输入电子注参数、输出微波功率的大小等的 不同而改变。如对多种器件进行研究的话，面太宽、针对性不强、工作量 也较大。所以，为了较深入的研究此现象、实际延长源的脉冲宽度、提高 源的输出脉冲能量，初级阶段我们只能先针对个别器件进行研究。 第二，r b w o 的结构相对简单，而且从h p m 研究一开始，它就在h p m 6 电子科技大学硕士论文 领域中占据了很重要的位置，是研究最多也较为深入的一种器件。在国内， 对于此类器件的研究也比较活跃，有近十年的历史。 因此，在本课题的第一研究阶段，我们选择了r b w o 中的脉冲缩短现 象作为研究对象。 而本论文中，选择粒子模拟作为主要研究手段的原因在于： 第一，在理论研究中，学术界对这一现象的机理还未能全面、深入的 了解，物理规律还不清楚，从物理上解析脉冲缩短现象的基本理论尚未建 立，文献中提出的理论、模型也还需要进一步验证、完善。 第二，频繁改变实验中的各种物理参数与几何参数来探求它们与输出 微波脉冲的关系成本太高，此外，由于这些高功率微波源在使用前需密封， 改变某些参数常常需要打开管子重新调节，这样一来使得采用实验的方法 会更加麻烦，既费时又增加了开销。所以，在现阶段我们还不易采用此法。 而采用粒子模拟的方法恰可以弥补前面两种方法的不足。一方面，可 以对文献中新提出的理论及模型作初步的验证、补充，修正，还可以帮助 建立明确的物理图象，明确各物理量数量级大小；另一方面，采用此法比 一开始就用实验方法来验证理论省时、省力、经济、方便，提供的信息也 丰富完备得多。而且，对于实验研究中新发现的一些实验现象、且理论上 又还不能做出合理解释的情况，也可以先用粒子模拟的方法进行模拟研 究，从它所提供的信息中寻找合理的理论解释。根据粒子模拟得到的结果， 还可以为进一步深入进行理论与实验研究指明方向、提供参考。 更为重要的一点是，高功率微波源中的脉冲缩短现象一般都是很多因 素共同作用的结果，仅用实验的方法我们不易排除诸多可能的因素，故不 能考虑其中单个因素的影响，这样也就不容易准确判断到底何种因素才是 引起该微波源中脉冲缩短的罪魁祸首、以及这些因素各自对此现象的影响 程度。而采用粒子模拟的方法却可以将这些因素分离开，从而一一进行考 虑，找出问题根源。 1 3 2 本论文的主要内容和创新之处 第一：查阅了国内外大量有关高功率微波源中脉冲缩短现象的期刊文 献，相关的硕士、博士论文，分析归纳了引起此现象产生的各种因素以及 对此问题研究的发展趋势，选定了具体研究对象、制定了研究方案。 第二：重点针对高功率相对论返波管中所出现的脉冲缩短现象进行研 究，填补了国内在这一研究方向上的空白。根据文献中提出的些新机理 以及一些实验、模拟结果，首次采用粒子模拟程序m a g i c ，较为全面的对 电子科技大学硕士论文 各种可能引起r b w o 中出现此现象的因素分别进行了模拟，以分析研究 这些因素各自对输出微波性能，如脉冲宽度、峰值功率、脉冲能量等的影 响，从而找到限制这类源输出脉宽和能量的主要原因，以期改进。 在本论文中，运用粒子模拟的方法具体分析了：管内气体压强、气体 种类对由电子注电离气体所引起的脉冲缩短现象的影响；管壁内表面所形 成的爆炸发射与脉冲缩短现象的关系：阴极所发射电子注半径发生改变， 以及输入电子注电压、电流发生脉动对脉冲缩短现象的影响等。 通过粒子模拟，我们得到的结论为： ( 1 ) 当为了提高输出微波性能而在r b w 0 中填充惰性气体时，由电 子注、中性气体的碰撞电离所生成的等离子体可能会引起严重的脉冲缩 短，此现象的出现会极大限制器件的输出能量。因此，必须控制所填充气 体的浓度，气压不应填充过高。 ( 2 ) 当管内存在残余气体( 包括从管壁上释出的气体) 时，电子注、 中性气体的碰撞电离可以引起脉冲缩短现象，但这并不是引起这类管子运 行于短脉冲状态时产生脉冲缩短的主要原因：对于运行于长脉冲状态时的 情况，此因素必须考虑。 ( 3 ) 慢波系统表面的爆炸发射，是高功率微波器件中产生脉冲缩短 现象的一个重要原因，特别是在输出功率达到g w 量级的情况下，尤为如 此。因此，实际设计管子时，应充分考虑慢波系统的几何结构设计、其材 料的选择，同时尽量提高管内的真空度和管壁的清洁程度，以减弱管壁的 爆炸发射，从而减轻脉冲缩短现象，提高器件的输出能量。 ( 4 ) 由阴极等离子体膨胀导致的所发射电子注半径的改变，对输出 微波脉冲脉宽有较大影响。特别是在器件工作于电子注脉冲宽度大于数百 纳秒的情况下，此因素是引发脉冲缩短的一个较为重要的原因。因此，需 要采取一定措施尽量减缓等离子体的径向膨胀。 ( 5 ) 电子束电压、电流的波动对器件的输出性能，如脉宽、峰值功 率、能量等都有较大影响，所以器件工作时，应保证电压和电流脉冲的平 滑，避免产生大的波动。 1 3 3 本论文的主要结构安捧 在引言中，首先介绍了此课题的立题背景、意义，国内外对高功率微 波源中脉冲缩短现象所做研究的历史以及发展动态，然后给出了本论文的 研究内容、创新之处和章节安排。 电子科技大学硕士论文 在第二章中，归纳分析了高功率微波源中的脉冲缩短现象及其形成机 理，给出了产生脉冲缩短现象的普遍因素和各类源中各自的主要因素。这 一部分的内容是理解脉冲缩短现象的基础：同时，也为后面针对r b w o 中的脉冲缩短现象进行粒子模拟研究提供了理论指导。 在第三章中，简要介绍了粒子模拟程序m a g i c 的语言以及粒子模拟这 一研究方法。 在第四章里面，我们利用粒子模拟程序m a g i c 模拟分析了高功率相对 论返波振荡管中的脉冲缩短现象，其主要内容包括：r b w o 中存在的中性 气体被强流电子注电离、r b w o 内壁的爆炸发射、阴极所发射电子注半径 发生变化、以及电子注参量的脉动等因素，各自对输出微波脉冲性能的影 响、与脉冲缩短现象的关系等。并根据模拟分析的结果，对如何克服此现 象、延长脉宽、提高输出能量提出了一些有益的实际方法。 最后，在第五章中对全文的主要内容做了总结。首先回顾了本研究工 作所取得的成绩，然后提出了本研究工作的未来展望。 9 电子科技大学硕士论文 第二章高功率微波源中的脉冲缩 短现象及其机理研究 本章，我们将在近年来各国实验研究、理论研究以及粒子模拟研究的 基础上，对高功率微波源中脉冲缩短的机理进行阐述，以期更全面地了解 这种现象。 2 1 形成高功率微波源中脉冲缩短现象的普遍因素 究竟是什么原因引起高功率微波源中普遍出现脉冲缩短现象呢? 下 面，就根据目前的研究结果，将引起脉冲缩短的原因大致分为以下五类 ，6 ： ( 1 ) 器件中等离子体的形成 在现有真空条件下，高功率微波器件内不可避免的会产生等离子体， 如在阴极、收集极、输出窗口、慢波结构以及谐振腔等处。在等离子体出 现的任何地方，都有可能产生脉冲缩短现象。不希望的等离子体的产生， 是造成输出微波脉冲宽度比驱动电压源脉冲短的一个重要原因。要注意的 一点是，并非所有等离子体都是有害的，有时为了提高器件的效率，减少 器件对磁场的需求，我们还特意将它们注入器件中，即等离子体的出现并 非必然导致微波功率的减少或截止。所以，只有那些不需要的、多余的等 离子体才会引起脉冲缩短。那到底等离子体达到什么程度才会引起脉冲缩 短，也正是我们要进一步探讨的问题。 研究表明，等离子体大致通过以下几种方式影响微波源的运行。 第一，间隙闭合：二极管区域等离子体的运动，如阴极爆炸式电子发 射和阳极电子轰击引起的等离子体沿轴向和径向的移动等，会缩减阴一阳 极间距、导致二极管的阻抗变化或几何边界的变化，从而减弱慢波结构中 的注一波耦合、引起不同的模式占优或使设计的工作模式停止工作，产生 脉冲缩短。在相对论磁控管中观察到的脉冲缩短即可用这种效应来解释。 第二，电子注的膨胀：由等离子体源生成的电子注能沿径向明显地膨 胀，其原因在于，这些生成电子注的碰撞等离子体能跨过磁力线扩散。这 将再次影响注一波耦合过程。 第三，电子注的截获：电子注撞击器件内表面( 如慢波结构、反射波 l o 电子科技大学硕士论文 结构或者是器件的其他位置) ，会产生运动的、吸收微波能的等离子体， 这些等离子体会破坏电子注与微波之间的相互耦合。 第四，电子注的收集：当电子注轰击收集极表面的剂量超过约l o o j g 时，会有等离子体产生。而且，这些等离子体还可能沿着磁力线回流到微 波产生区域，破坏微波产生“3 。在俄普通物理研究所( g e n e r a lp h y s i c s i n s t i t u t e ) 研究的微波振荡器中曾观察到了这种现象( 现已消除) 。 值得注意的一点是，在讨论g w 级h p m 器件脉冲缩短问题时必须考虑 h p m 器件的两个独特特性，而这两个特性使得等离子体的形成似乎是不可 避免的。第一，产生g w 级的超高功率是来源于爆炸发射阴极的，在电子 发射过程中，爆炸发射阴极必然会在阴阳极间产生等离子体，这是它们的 固有特性。正是因为阴极具有这种特性，才使得用相对小的二极管可以驱 动i r a 到i o o k a 的强流微波管，产生数g w 的微波功率。已证实，如果把爆 炸发射阴极彻底清洗以消除等离子体的话，则将使得电子发射明显减少或 者停止。此外，m e s y a t s 曾指出，爆炸发射阴极可以使h p m 源结构比传统 的热阴极微波管更简单。第二，驱动脉冲功率系统的爆炸发射阴极设计得 非常紧凑，在这种系统的真空接口处通常采用塑料介质和0 型圈，这种情 况严重阻碍了硬管技术的高真空运用。研究表明，h p m 器件中的等离子体 和塑料绝缘子的存在限制了真空度最好仅达到1 0 1 0 _ 4 只。这种矛盾正是 h p m 脉冲缩短很难解决的症结所在，也是全世界共同面对的h p m 中形成脉 冲缩短的根本原因之一”，。 ( 2 ) 电子回流 当阴极等离子体电子离开加速间隙或电子注经过强电场注波互作用 区时，这些电子注可能会沿着脉冲功率传输线逆向运动，形成电子回流， 这种电子流将引起二极管阻抗降低或注波互作用间隙的间隙击穿。此外， 特别是在线性束微波器件中，还有一种机理可以产生电子流。即，电子在 被收集极吸收时，其以及从收集极出来的二次电子可以克服注的电势而流 回慢波结构或腔体中。由于慢波结构和腔体中的任何电子都可能造成脉冲 缩短，因此，从二极管区域、线性束器件的作用间隙、收集极产生的电子 回流在很大程度上都会导致脉宽变窄。 俄罗斯普通物理研究所( g p i ) 研究的b w o 、洛斯阿拉莫斯国家实 验室( l a n l ) 和中物院应用电子学研究所( i a e ，c a e p ) 研究的r a k 是 这种电子回流引起脉冲缩短现象的最好例证。实验中，通过消除这种电子 流，可以使脉宽一定程度得到延长。但，射频脉宽仍然比电子注脉宽窄。 电子科技大学硕士论文 ( 3 ) 强电场的击穿口6 ”2 ” 在所有类型h p m 器件中，特别是在接近金属腔壁和其它表面附近，使 电场保持一个最小值是很重要的。电击穿会产生等离子体、破坏高效产生 h p m 的束腔匹配条件，影响微波的产生、甚至造成器件r f 辐射停止。密封 窗的击穿也会吸收微波能量、造成微波的反射和微波辐射的终止。俄罗斯 的电物理研究所正在研究界面的微波诱发击穿，以寻求提高击穿阈值的表 面条件。此外，在输出窗部分也易发生打火现象而使微波输出终止。 研究发现，在金属表面上细微的隆起和锥形物，可使表面电场提高约 1 0 0 到1 0 0 0 倍。因此，为了避免或减弱电击穿，应加强对结构的表面处理。 由于击穿现象与该处被吸收气体的释放相联系，所以与强电场相关的 问题还有器件的烘烤和排气等“”1 。研究发现，电介质衬里能使离子在隆 起部分的附近聚集，为随后的微爆提供条件，并伴随快速的次级发射；在 薄膜上的离子吸附能缩减场致发射所需的最小电场强度到0 1 m v e m ，而 此值在高功率微波装置中是很容易达到的。通过减少器件内的碳氢化合物 和其他杂物，可以提高电场的击穿阈值。因此，我们应注意器件的真空处 理、尽量减少何塑料元件的使用，在器件材料选取中，应避免使用碳化硅 等极易吸附空气、水分和其它杂质的材料，采用陶瓷材料和其它不易吸收 分子杂物的材料来代替，这已得到实验验证。 此外，二次电子倍增效应过程( 也称二次电子谐振放电s e c o n d a r y e l e c t r o nr e s o n a n td i s c h a r g e ) 也与强电场密切相关阳2 “。在一定条件下， 从界面上发射的二次电子数目会在r f 微波场的作用下不断增长。此效应 利用电子将能量从波转移到壁，从而可直接削减系统所产生和传输的微波 能量。有时，s e r d 甚至会造成r f 陶瓷击穿损坏、金属材料的烧蚀、内部 元件的熔化和真空壁的穿孔。可见，这种效应不但破坏管子的运行，而且 烧蚀器件内表面的材料，影响注波互作用、造成脉冲缩短。例如，应用物 理研究所针对b w o 的研究证实，由其慢波结构发射电子造成的s e r d ，能诱 发脉冲缩短”“。 ( 4 ) 束流的崩溃 在束流崩溃中，电子束偏离产生微波的最佳路径或者被截获，从而减 弱了注与电磁结构的耦合，导致脉冲缩短。 引起注束流崩溃的原因主要来自三个方面“”： 第一，不稳定性： 在微波产生过程中，多种因素会造成电子束稳定性的减弱。如，在等 1 2 电子科技大学硕士论文 离子体背景下，电子注自身运动产生的波与电子注发生共振，引起电子注 的空间电荷振荡，使得电子注的不稳定性产生。在此不稳定性作用下，注 会发生发散、振动、扭曲、旋转。另外，磁丝也可能引起不稳定性。注以 这种方式分裂成独立的支流，然后相互之间作用以磁力。但这种不稳定性 需要有背景等离子体才能得以增长。研究还表明，慢波结构中壁的波纹也 可能导致不稳定性增长。 第二，电子注的漂移与扩散： 对于阴极采用爆炸发射的高功率微波源而言，阴极等离子体的出现是 引起电子注膨胀扩散的一个主要原因，这在前面已提到。此外，在强微波 场的作用下，电子注的横截面将发生豆雪漂移，从而导致其沿径向扩散， 并可能最终崩溃。当这种现象发生时，电子束轰击慢波结构或者是管子的 其他部件，在很大程度上会产生等离子体( 在某种程度下会造成器件的毁 坏) ，另外还会改变电子束与慢波结构的相互关系。 第三，空间电荷的形成： 当运行的相对论电子束接近空间电荷限制电流时，将产生空间电荷， 从而阻碍电子束沿产生微波的路径运动。对于像回旋b w o 一样能工作在空 间电荷限制附近的回旋器件，空间电荷的形成是导致其脉冲缩短的一个重 要原因“。在r k a 中也观察到由于空间电荷效应造成的脉冲缩短。在r k a 的腔内能产生很强的电场，以致使某些低能量的电子不能通过间隙，这就 会造成电子的反射和空间电荷的形成。在r k o 的模拟中，当间隙电场达到 很大时，也观察到了类似的结果”1 。 ( 5 ) 器件的设计 合理的设计，是获得高能量脉冲输出的第一步。对器件的设计进行或 多或少的变化，对器件的性能可能造成很大的改变。在很多情况下，通过 优化管子设计和制造( 如使脉冲电压更平坦、减少管子部件的装配误差 等) ，能够使脉冲缩短问题在一定程度上得到解决。此外，如果没有合理 的管子设计，上面所描述的其它因素诱发脉冲缩短产生的现象可能观察不 到。因此，当研究h p m 器件的脉冲缩短问题时，第一步就应当是h p m 器件 的优化设计。它主要包括部件的装配，部件材料的选择、处理，表面清洁， 管内真空度等，涉及到许多传统真空电子学的问题。此外，要解决器件中 的脉冲缩短问题还需对系统的许多部件进行精心设计，尽量避免诱发脉冲 缩短的因素产生。 针对不同的器件，研究已得到不少通过改变其设计而使脉宽延长的方 电子科技大学硕士论文 法，这在对不同器件脉冲缩短的分析研究中将一一介绍。 2 2 延长输出微波脉冲宽度的一般方法 那么，我们如何减缓脉冲缩短，延长脉冲宽度呢? 显然这可以从前面 分析得到的脉冲缩短的机理着手，避开其引发源头即可。现普遍认可的方 法是：第一阶段，展开研究脉冲缩短机理的理论和实验工作；第二阶段研 究束流的形成和传输、材料的精心选择、真空条件及系统的老炼处理等。 对于爆炸发射阴极，最后两步很难实现，因此前面几步是非常重要的。下 面，我们主要从如何避免不需要的等离子体产生这一重要方面，简要归纳 出一些延长脉冲宽度的一般办法： 由于在许多不同的地方会产生不希望的等离子体，因而也产生了多种 不同的有效方法来解决这个问题。在这些方法中，大多是在电子束和微波 存在的地方器件要尽量清洗干净；另一重要途径则是给器件提供尽量好的 真空度。当然，这是普通微