（等离子体物理专业论文）等离子体对微波管输出性能的影响研究.pdf

摘要 摘要 等离子体微波电子学是微波技术、微波电子学、气体电子学、等离子体电子 学等的交叉学科。研究在传统微波器件中存在气体或等离子体后，束、波、等离 子体两两或三体互作用的机理，并由此研制微波器件，是近年来等离子体微波电 子学发展最为迅速、最为活跃的方向之一。 本课题主要是研究等离子体对微波管的影响。研究内容主要有以下两个方面： 1 、以相对论返波振荡器为例，采用k a r a t 粒子模拟软件，通过粒子诊断，深入 研究了充等离子体相对论返波振荡器中脉冲缩短现象的机理。2 、使用o o p i c 粒 子模拟软件研究了存在残留中性背景气体的速调管中的离子噪声问题。课题研究 主要内容和创新之处在于： 一 1 、深入研究了充等离子体高功率微波器件中脉冲缩短现象的机理。以相对论 返波振荡器为例，采用k a r a t 粒子模拟软件模拟了填充中性气体对脉冲输出的影 响，分段填充中性气体对微波脉冲输出的影响，并比较了充入不同种类的中性气 体对微波脉冲输出的影响。模拟结果表明： ( 1 ) 以h e 气为例，随着填充中性气体密度的增加，产生的等离子体密度增 加，当到达一定程度时，器件就会出现明显的脉冲缩短现象。 ( 2 ) 电子注碰撞中性气体产生等离子体的速率与中性气体的核电荷数相关。 填充中性气体的核电荷数越大，在单位时间内产生的等离子体就越多，在相同时 间内，导致脉冲缩短现象所需填充的中性气体密度就越小。 ( 3 ) 等离子体填充相对论返波振荡器的脉冲缩短现象主要是由于等离子体密 度过高，破坏了电子束的群聚状态，使电子束与波互作用效率降低，导致脉冲缩 短。 ( 4 ) 在等离子体密度达到一定值时，满足共振吸收条件，等离子体吸收微波 也是脉冲缩短的原因之一。 ( 5 ) 分段填充中性气体的研究表明：在慢波结构前段，电子束还没群聚，而 在慢波结构后段，电子束与波换能已基本完成，因此对输出功率影响不大；在慢 波结构中段，电子束充分群聚，电子束与波互作用充分，高密度的等离子体的形 成使得电子束群聚质量变差，严重影响微波输出。 2 、研究了存在残留中性背景气体的速调管中的离子噪声问题。采用o o p i c i 摘要 粒子模拟软件，得到了填充中性气体速调管输出信号的离子噪声图像。从理论上 阐述了束电子、离子、二次电子和电磁波之间的相互作用的动力学过程。模拟结 果表明： ( 1 ) 离子噪声所表现出来的相位波动是由电子束速度的波动引起的，电子束 速度的变化来源于管子内离子数量的变化，离子的数量变化又与电子束状态变化 相互影响，这是离子噪声产生的根本原因。 ( 2 ) 二次电子对离子噪声产生过程的影响很小，但是其行为却反映了离子噪 声的形成机理。 ( 3 ) 离子噪声引发的输出信号幅度波动取决于电子束速度和半径的改变，与 离子行为密切相关。 关键词：粒子模拟，相对论返波振荡器，速调管，等离子体，脉冲缩短，离子噪 声，诊断 a b s t r a c t p l a s m am i c r o w a v ee l e c t r o n i c si s ac r o s s d i s c i p l i n eo fm i c r o w a v e m i c r o w a v e e l e c t r o n i c s ，g a se l e c t r o n i c sa n dp l a s m ae l e c t r o n i c s i nr e c e n ts e v e r a ly e a r s ，i ti so n eo f t h em o s tr a p i d l yd e v e l o p i n gt or e s e a r c ht h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo ft h e 乜a d i t i o n a l m i c r o w a v ed e v i c e sf i l l e dw i t hg a so rp l a s m a i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep i cm e t h o dw a s u s e dt os t u d yt h ee f f e c t i v ep l a s m al o a d e d t h e r ea r et w op r i m a r ys t u d i e s ：1 t h r o u g hp a r t i c l ed i a g n o s i s ，w es t u d i e dt h em e e h a i l i 8 m o fp u l s es h o r t e n i n gp h e n o m e n ao fp l a s m af i l l e dr b w o b yk a r a t ；2 w ea l s os t i l d i e d t h ei o nn o i s eo fn e u t r a lb a c k g r o u n dg a sf i l l e dl d y s t r o nb yo o p i c t h e m a j o rr e s u l t sa r e l i s t e da st h ef o l l o w i n g ： 1 、w es t u d i e dt h em e c h a n i s mo fp u l s es h o r t e n i n gp h e n o m e n ao fp l a s m af i l l e d r b w o t h ek a r a tm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fm i c r o w a v e p u l s eo f f u l lf i l l e dn e u t r a lg a sr b w oa n ds u b p a r a g r a p hf i l l e d w ea l s oc o m p a r e dt h e m i c r o w a v e p u l s ei nr b w o st h a tf i l l e dw i t hd i f f e r e n tt y p e so fn e u t r a lg a s t h er e s u l ts h o w st h a t ： ( 1 ) p u l s es h o r t i n gw i l la p p e a rw h e nt h ed e n s i t yo fg a si st o oh i g h ( 2 ) t h er a t eo fp l a s m ap r o d u c i n gi sr e l a t i v ew i t ht h ec h a r g eo fm o l e c u l e ( 3 ) t o oh i g hd e n s i t yo fp l a s m ai sa d v e r s et ob e a mg a t h e r i n g ( 4 ) w h e np l a s m ad e n s i t yr e a c h e sac e r t a i nv a l u e ，t h er e s o n a n c ea b s o r p t i o nh a p p e n s a n dt h em i c r o w a v ee n e r g yi sa b s o r b e d ( 5 ) t h er e s u l to fs u b p a r a g r a p hf i l l e ds h o w st h a t ：t h eg a st h a tf i l l e di nt h ef o r e p a r t a n db a c ke n do ft h es l o ww a v es t r u c t u r eh a sl i t t l ei m p a c to no u t p u tm i c r o w a v e 。a n d t h e r el sas e r i o u si m p a c to no u t p u tm i c r o w a v e b ym eg a st h a tf i l l e di nt h em i d d l ep a r t 2 、w ea l s os t u d i e di ni o nn o i s eo fn e u t r a lb a c k g r o u n dg a sf i l l e d k l y s t r o nb y o o p i c t h ep i cm e t h o dw a su s e dt og e tt h ei o nn o i s ep i c t u r e so fo u t p u ts i g n a l t h e i n t e r a c t i o na m o n gb e a me l e c t r o n , i o n , s e c o n d a r ye l e c t r o na n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l di s i l l u s t r a t e d t h em e c h a n i c so fi o nn o i s ei sa n a l y z e d i ts h o w st h a t ： ( 1 ) p h a s ef l u c t u a t i o ni no u t p u ts i g n a li sc a u s e db yt h ec h a n g eo ft h eb e a mc u r r e n t d c v e l o c i t yw h i c hi sa f f e c t e db yt h ec h a n g eo ft h ei o na m o u n t t h ei o ni i l t e r a c t sw i t h b e a me l e c t r o na n dh a sn oe q u i l i b r a t i o ns t a t e u i a b s t r a c t ( 2 ) s e c o n d a r ye l e c t r o n sa m o u n ti ss m a l la n di th a sl i t t l ea f f e c t i o no ni o nn o i s e ，b u t i t sb e h a v i o r sr e f l e c tt h ep r o c e s so fi o nn o i s e ( 3 ) t h ea m p l i t u d ef l u c t u a t i o no fo u t p u ts i g n a lw a sc a u s e db yt h ec h a n g eo fb e a m v e l o c i t ya n db e a mr a d i u s i tw a s a l s oa f f e c t e db yt h ei o nb e h a v i o r s k e yw o r d s ：p a r t i c l e i n c e l l ，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 ) ，k l y s t r o n ， p l a s m a ，p u l s es h o r t e n i n g ，i o nn o i s e ，d i a g n o s i s i v 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：亟丝墨日期：弘门年1 月1 1 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：盘竺垫导师签名： 日期：知 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 等离子体微波电子学是微波技术、微波电子学、气体电子学、等离子体电子 学等的交叉学科，研究在传统微波器件中存在气体或等离子体后，束、波、等离 子体两两或三体互作用的机理，并由此研制微波器件，是近年来等离子体微波电 子学发展最为迅速、最为活跃的方向之一。 电子束驱动的微波源中存在等离子体有好处也有坏处【l 】。 一方面，微波真空电子学界的微波管工程师们长期努力使微波管中等离子体 形成的可能性降至最低。因此，磁控管、速调管、返波振荡器和行波管等常规微 波管一般运行在真空密封外壳中，其基础压力为1 0 9 1 0 7 托( t o r t ) 。即使在这 些严格的条件下，管内还会存留某些中性气体分子和原子，而其忠某些中性分子 和原子必然会被传输的电子束电离，从而在微波管密封外壳内产生失控的背景等 离子体。在稳态( 连续波) 工作条件下，剩余气体的电离度可能接近1 0 0 ，导 致局部背景等离子体密度高达1 0 9 c m 3 。微波管工程师们不希望这种情况的发生， 因为即使在低等离子体密度下，被加速的离子流也可能使脆弱的热电子阴极受到 碰撞而损坏。由于等离子体是一种不均匀、各向异性、耗散、不稳定和有噪声的 气体，因此，当这种不需要的等离子体的密度增加到接近电子束密度时，情况会 更糟糕。他们认为，真空度差的高功率微波源中失控的等离子体是高功率微波脉 冲缩短的主要原因。同时，微波管中残存的背景气体被电子束电离后，由于离子 的存在，使器件的输出信号的幅度与相位产生周期性或者是随机的低频的扰动。 这种扰动被调制到输出信号上，使载频附近产生噪声，这就是离子噪声。总之， 对微波真空电子学界来说，微波管中的任何等离子体肯定会降低器件的性能，缩 短器件的寿命。 另一方面，微波界中许多等离子体物理学家认为，电离气体并不是坏事。事 实上，在高功率微波的早期研究中，曾经把周围的等离子体背景看作是一种能中 和部分或全部强相对论电子束空间电荷的可能机制，希望这种机制能够允许采用 较高功率的驱动电子束，其值将远远超过限制真空器件的空间电荷的极限电流。 电子科技大学硕士学位论文 等离子体物理学家很快发现，充等离子体有很多好处，它不但有助于提高功率使 用容量，而且还能增加带宽和效率。实验人员还意外地发现等离子体有助于电子 束的聚焦，从而放松了对强轴向引导磁场的要求，甚至有可能取消这种磁场。等 离子体研究者证明，等离子体填充对常规中功率微波真空电子学器件也很有用。 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束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e 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1g 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1 9 2 0 2 1 】 2 2 。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。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。 2 s l 鑫粼窖穰v 图1 1 高功率微波源中典型图卜2m i l o 中的脉冲缩短 的脉冲缩短现象 但研究发现，此方法又面临一个脉冲缩短的问题：即微波实际输出的射频脉 冲宽度小于电子注的脉冲宽度，如图卜1 ，特别是当脉冲峰值功率大于1 g w 后， 2 第一章绪论 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 终大致趋于一个常数，如图1 - 2 。显然，这一现象的出现使得电子注的许多能量 未被充分利用而白白浪费掉，因而大大限制了高功率微波源的效率以及能量输出。 脉冲缩短问题对于器件的能量效率有极大的影响。设占。是功率效率，即瞬时 微波功率p 。与电子束功率只的比值；设占g 是能量效率，即一个脉冲时间内微波 能量e 。与电子束电能e 的比值。那么，在微波脉宽t 。和电子束脉宽t 。内，有下 列关系： 从而有 f e u = 匕气 k ：6 t 。 s 卅s p = tu t b ( 1 - 2 、) 脉冲缩短比t 。t b 就是能量效率与功率效率的比值。占。一般为o 2 0 4 ，但是 脉冲缩短效应使占， 讧毋埔烤玉h 毛晒 毒 图3 - 1 0 ( b ，b ) 填充中性气体密度分别为1 2 x 1 0 1 5c , m 3 、6 x 1 0 1 4c m 3 、l o n s 时 电子束在z 方向的速度 3 3 电子科技大学硕士学位论文 u n u n 图3 - 1 0 ( c ，c ) 填充中性气体密度分别为1 2 x 1 0 1 5c m 3 、6 x l o “c m 3 、1 5 n s 时 电子束在z 方向的速度 3 4 第三章充中性气体相对论返波振荡器脉冲缩短机理的研究 u n 麓 t 细岬碧良a 口n 矽 图3 - 1 0 ( d ，d ) 填充中性气体密度分别为1 2 x 1 0 1 5 c 聊3 、6 x 1 0 1 4 c l n 3 、2 0 m 时 电子束在z 方向的速度 3 5 电子科技大学硕士学位论文 孽t i l 瓣盘二麓k n 叠 u n ? = 鼍l 翰摹= ；麓量。n 舞 图3 - 1 0 ( e ，e ) 填充中性气体密度分别为1 2 x 1 0 1 5 c 珑3 、6 x 1 0 1 4 c m 3 、2 5 n s 时 电子束在z 方向的速度 3 6 第三章充中性气体相对论返波振荡器脉冲缩短机理的研究 u 、 n ： u n = t l 睁谣3 嘎懒， 斌： t l 畔3 瓯： 参 图3 1 0 ( f ，f ) 填充中性气体密度分别为1 2 x 1 0 1 5 c 川3 、6 x 1 0 1 4 c m 3 、3 0 n s 时 电子束在z 方向的速度 3 7 电子科技大学硕士学位论文 y 。 急o u n = c ) - l t l 孙掌毒：撼k o 口r 瞧 图3 1 0 ( g ，g ) 填充中性气体密度分别为1 2 x 1 0 1 5 c m 3 、6 x 1 0 1 4 侧3 、3 5 n s 时 电子束在z 方向的速度 3 8 第三章充中性气体相对论返波振荡器脉冲缩短机理的研究 _ 乞n g 图3 1 1 填充中性气体密度为6 x1 0 1 4 c m 3 、3 5 n s 时， 诊断点( z - - 4 9 c m ，r = l c m ) 处微波输出功率的波形图 图3 - 1 2 填充中性气体密度为1 2 x1 0 1 5 c m 3 、3 5 n s 时， 诊断点( z - - 4 9 c m ，r = l c m ) 处微波输出功率的波形图 比较图3 - 1 1 和图3 - 1 2 可知，电子束群聚状态遭到破坏导致输出脉冲功率迅 3 9 电子科技大学硕士学位论文 速下降直至截止。说明电子束群聚状态遭到破坏是造成脉冲缩短的主要原因。 3 4 3 分段填充 比较在填充中性气体密度在l 1 0 1 5 伽3 时，在慢波结构的前段，中段和后段 填充等离子体对脉冲功率输出的影响。模拟结果如下： 图3 - 1 3 慢波结构前段填充中性气体时的脉冲输出波形 图3 - 1 4 慢波结构后段填充中性气体时的脉冲输出波形 第三章充中性气体相对论返波振荡器脉冲缩短机理的研究 图3 - 1 5 慢波结构中段填充中性气体时的脉冲输出波形 如图3 1 3 和图3 1 4 ，在慢波结构前段和后段，输出平均功率较未填充时有 一定降低，但影响不是很大，6 0 n s 内平均功率分别为3 7 6 0 3 m w ，3 5 4 2 8 m w 。 原因在于：在慢波结构前段，电子束还没群聚，而在慢波结构后段，电子束与波 换能已基本完成，因此对输出功率影响不大。 如图3 1 5 ，在慢波结构中段，互作用效率降低，输出平均功率较未填充时降 低了很多，且从4 5 n s 开始，输出功率就开始明显下降，6 0 n s 内平均功率为 2 9 6 9 2 m w 。说明在慢波结构中段生成的等离子体对输出脉冲的影响最大。原因 在于：在慢波结构中段，电子束充分群聚，电子束与波互作用充分，高密度的等 离子体的形成使得电子束群聚质量变差，严重影响微波输出。 3 5 结论 通过模拟和观察充中性气体对相对论返波振荡器脉冲功率输出的影响，我们 得到以下结论： ( 1 ) 以h e 气为例，随着填充中性气体密度的增加，产生的等离子体密度增 加，当到达一定程度时，器件就会出现明显的脉冲缩短现象。 ( 2 ) 电子注碰撞中性气体产生等离子体的速率与中性气体的核电荷数相关。 4 1 电子科技大学硕士学位论文 填充中性气体的核电荷数越大，在单位时间内产生的等离子体就越多，在相同时 间内，导致脉冲缩短现象所需填充的中性气体密度就越小。器件的尺寸及电子注 参量一定时，在等离子体密度达到一定数值时，输出功率波形就开始出现截止现 象，输出能量损失。 ( 3 ) 等离子体填充相对论返波振荡器的脉冲缩短现象主要是由于等离子体密 度过高，破坏了电子束的群聚状态，使电子束与波互作用效率降低，导致脉冲缩 短。 ( 4 ) 在等离子体密度达到一定值时，满足共振吸收条件，等离子体吸收微波 也是脉冲缩短的原因之一。 ( 5 )