X波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

　　磁绝缘线振荡器(MILO)主要分为两种:一种是美国学者1997年提出的负载限制型L波段MILO[1](load-limited MILO),这种振荡器由于慢波结构周期少,结构比较紧凑,但束-波转换效率不高,美国研究的硬管MILO[2]的平均效率为10%;另一种是英国科学家1998年提出的渐变型L波段MILO[3](tapered MILO),起振快,束-波转换效率高,文献[3]中模拟的功率转换效率为17.5%,但慢波结构周期多,尺寸偏大,易产生多模式竞争。本文在理论分析和粒子模拟的基础上,设计了一种集负载限制型和渐变型MILO优点于一体的X波段MILO。

　　1　X波段MILO的结构

　　负载限制型MILO慢波结构(SWS)由扼流片和主慢波结构组成,电子收集极与伸入收集极的阴极构成负载二极管。渐变型MI-LO中叶片分为慢变叶片(gentle taper)和快变叶片(sharp taper),阴极端面与中心阳极形成负载二极管,结构上利用了负载电子能量,从而提高了微波产生效率[3]。本文设计了结构如图1所示的X波段MILO,负载用渐变型MILO的中心阳极,慢波结构为负载限制型MILO的慢波结构形式。

　　负载限制型MILO慢波结构(SWS)由扼流片和主慢波结构组成,电子收集极与伸入收集极的阴极构成负载二极管。渐变型MI-LO中叶片分为慢变叶片(gentle taper)和快变叶片(sharp taper),阴极端面与中心阳极形成负载二极管,结构上利用了负载电子能量,从而提高了微波产生效率[3]。本文设计了结构如图1所示的X波段MILO,负载用渐变型MILO的中心阳极,慢波结构为负载限制型MILO的慢波结构形式。

　　2　结构参数的设计

　　2.1　慢波结构参数的设计

　　MILO具有轴对称结构,当阴阳极之间加上几百kV的脉冲电压时,将在阴极表面的微凸点处形成高于场发射阈值的高电场,使其爆炸形成表面等离子体,电子从表面等离子体中爆炸发射出来,在阴阳极间径向电场作用下,电子向阳极运动。阴极与中心阳极之间的负载电流产生一个围绕阴极的角向磁场,该磁场对慢波结构(SWS)区的电子束起磁绝缘作用。处于SWS区的电子在阴阳极间的径向电场和角向磁场的共同作用下沿轴向漂移,当电子的漂移速度接近SWS微波的群速度时,电子束与场相互作用,电子束的能量转换为场的能量,产生高功率微波[3]。负载电流应大于或等于给定电压条件时的自绝缘临界电流Icr,才能使慢波结构中的电子磁绝缘。自绝缘临界电流Icr可表示为[2]

式中:Ib=8.5 kA;g=377Ω/(2πZ0),Z0=60 ln(ra/rc)Ω,ra是阳极半径,rc是阴极半径;βa是以光速为单位的电子漂移速度;γa=1+eU0/mec2是相对论因子,其中,e为电子电量,c为真空光速,me为电子质量,U0是二极管电压。阳极总电流Ia为[2]