双频磁绝缘线振荡器微波产生特性的数值研究

　　能够产生稳定输出的双频高功率微波器件是一个新兴的研究方向,具有重要的学术和实际应用价值。文献[1-2]提出并模拟设计了双频(bifrequency)磁绝缘线振荡器(MILO)[1-8],但并没有阐述双频磁绝缘线振荡器(双频MILO)内微波产生的特性。为此,本文主要利用数值分析的方法,对双频MILO的微波产生特性进行数值研究。根据角向分区的不同比例,研究了“热腔”条件下的微波场分布,电子的相空间图,输出微波的总功率和微波频率频谱的变化等特性。

　　1　角向非均匀的双频MILO

　　1.1　角向分区比例1∶1

　　双频MILO的结构图如图1所示,其谐振腔深度设置了角向分区(分区比例为1∶1,分区边界是0°和180°),通常每一个角向分区分别对应一个谐振频率,每一个分区单独工作同时产生双频率的高功率微波。

　　取ro1=140 mm,ro2=129 mm,扼流片半径76 mm,中间叶片半径ra=86 mm,提取叶片半径为96 mm。通过3维粒子模拟[1],在电压为530 kV、电流为45.5 kA的条件下,得到了稳定的双频微波输出,其微波频率分别为1.28 GHz和1.50 GHz,周期平均功率约为2.65 GW,功率效率约为11%,两个频率的频谱幅度相差约0.4 dB。

　　按照图1所示的角度顺序进行了角向分布特性的监测。图2(a)表示了在谐振腔中的频率成分随角向的变化,图2(b)则表示了在输出同轴段中的频率成分随角向的变化。可以看出,两个频率(f=1.28 GHz和f=1.50 GHz)在谐振腔中和输出同轴段中的分布特性基本一致,即在90°位置出现频率1(f=1.28 GHz)的极大值,在270°出现频率2(f=1.50 GHz)的极大值,在0°和180°的分界边界上,两个频率的成分基本相等。这进一步说明,两个频率在谐振腔中已经产生,并且分区工作。

　　同时监测热腔中电场的分布,在t=37.6 ns时的电场分布如图3所示。图3(a)表示谐振腔中的横截面上的径向电场分布,图3(b)表示输出同轴段的横截面上的径向电场分布。可以看出,此时刻合成场的微波模式类似于常规单频MILO的模式。

　　图4(a)表示t=37.6 ns时纵截面上的轴向电场的分布,可以看出,在90°和270°纵截面上的电场分布几乎一致,该结果与图3(a)吻合;轴向电场在第3腔中达到最大,并且轴向电场沿(z)轴分布类似于π模场分布。此时刻正好对应着输出双频微波信号稳定地形成拍频后的微波信号最大时刻。

　　然而,经过2.2 ns后,即t=39.8 ns时,纵截面上的轴向电场的分布(如图4(b)所示)与t=37.6 ns时的分布有很大的差别。轴向电场在90°纵截面上的分布与270°纵截面上的分布相位正好反向,此时,对于总的电场来说正好为0,这与输出微波产生拍频现象是吻合的,根据时间差(4.5 ns),其对应的频率约为220 MHz,正好是两个频率的差频频率。而此时刻正好对应着输出双频微波信号稳定地形成拍频后的微波信号最小时刻。