3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D

介绍了自行研制的3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D。在该软件中,电磁场量用二阶精度的时域有限差分方法迭代,粒子用相对论牛顿-洛仑兹力方程推进。该软件拥有复杂器件的几何建模和网格自动剖分的功能,具有模拟相对论返波管、虚阴极振荡器、磁绝缘线振荡器等高功率微波器件的能力。且该软件具有强大的后处理功能,可以显示电场、磁场、电流、电压、功率、频谱、粒子相空间等。在高性能并行计算机上对软件的并行效率进行了测试。通过与2.5维UNIPIC软件的结果进行比较,验证了UNIPIC-3D软件的正确性。     

新型高效率虚阴极振荡器

结合低磁场返波管振荡器和虚阴极振荡器的优点,设计了一个具有较高效率的虚阴极振荡器,通过添加半反射腔,使虚阴极在由阳极箔、波导和半反射腔组成的准谐振腔内形成,实现器件的高效率、高功率运行。当电子能量和束流分别为480keV和23kA时,采用2.5维粒子模拟(PIC)程序模拟得到频率为3.7GHz、功率为2.6GW的微波输出,器件束波转换效率约为23%。     

新型高功率虚阴极径向反射速调管振荡器

 提出了一种新型的高功率虚阴极径向反射速调管振荡器,它结合了虚阴极振荡器容易起振和速调管微波产生效率较高的特点。利用虚阴极反射电子束对调制腔的正反馈,可以减小起振电流和起振时间,而且提高了微波产生效率。它是一种结构简单、紧凑的器件。用2.5维PIC程序对这种器件进行了数值模拟研究。得到的数值模拟结果表明,输入电压620 kV,电流25 kA,输出微波周期平均功率为2.5 GW。虚阴极振荡频率被锁定,频率为1.25 GHz。     

磁绝缘线振荡器的自动优化设计

为克服全电磁粒子模拟(PIC)程序不利于优化设计的弱点,提高高功率微波器件的优化设计水平,将遗传算法与全电磁粒子模拟算法有机融合,研制出二维全电磁粒子模拟并行优化程序。据此对高功率微波源器件——两个波段的磁绝缘线振荡器(MILO):C-MILO和L-MILO进行优化设计。在输入功率不变的条件下,原C-MILO效率为10.8%,经优化后效率为15.4%;原L-MILO效率为12.6%,经优化后效率为17.7%。由此得出,两类MILO模型经优化后在输入功率基本不变的情况下输出功率和效率都有很大程度的提高,且模型几何参数合理,物理图像正确。     

3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE

 介绍了自主编制的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE的基本情况。该程序具备对多种典型高功率微波源器件的3维模拟能力,可以在数百乃至上千个CPU上稳定运行。该程序使用时域有限差分(FDTD)方法更新计算电磁场,采用Buneman-Boris算法更新粒子运动状态,运用质点网格法（PIC）处理粒子与电磁场的耦合关系,最后利用Boris方法求解泊松方程对电场散度进行修正,以确保计算精度。该程序初步具备复杂几何结构建模能力,可以对典型高功率微波器件中常见的一些复杂结构,如任意边界形状的轴对称几何体、正交投影面几何体,慢波结构、耦合孔洞、金属线和曲面薄膜等进行几何建模。该程序将理想导体边界、外加波边界、粒子发射与吸收边界及完全匹配层边界等物理边界应用于几何边界上,实现了数值计算的封闭求解。最后以算例的形式,介绍了使用NEPTUNE程序对磁绝缘线振荡器、相对论返波管、虚阴极振荡器及相对论速调管等典型高功率微波源器件进行的模拟计算情况,验证了模拟计算结果的可靠性,同时给出了并行效率的分布情况。     

平面磁绝缘线振荡器的作用机理及模拟设计

针对当前高功率微波(HPM)中的热点器件磁绝缘线振荡器(MILO) 频率低、效率低等问题,提出了一种可以沿x方向平面展开的平面MILO。该器件也是一种低阻抗高功率微波器件,通过一个低外加磁场来代替常规MILO中的磁绝缘电流,辅助实现器件的磁绝缘,从而实现器件效率的提高。结合PIC模拟,建立一个外加低磁场的C波段平面MILO,并根据其慢波结构(平面折绉表面)特点给出相应的色散曲线,确定微波器件工作点,利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟,在输入为4.0 GW电功率(工作电压约800 kV)的条件下,模拟得到频率为6.56 GHz的微波输出,通过优化外加磁场,使得模拟微波输出功率达到1.22 GW,功率效率在C波段条件下超过30%。     

内导体对相对论返波振荡器工作波段选择的影响

 设计了一种紧凑型、GW级同轴引出电子束相对论返波振荡器,利用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束 波作用的物理过程。模拟结果表明：当器件中使用内导体,在电子束能量700 keV,电子束流11 kA,导引磁场为1.0 T时,能实现L波段2.66 GW高功率微波输出,平均效率约为34%;去掉内导体时,能实现S波段1.88 GW单频微波输出,平均效率约为24%。同一个器件,仅通过装卸内导体就可以选择在两个波段实现GW级、高效微波输出,这对于高功率微波器件的设计有一定的参考意义。     

三维电磁粒子模拟并行计算的研究

三维电磁粒子模拟基于时域有限差分算法（FDTD）和PIC（particle-in-cell）方法.根据FDTD和PIC方法的特点,可以将整个模拟区域分割为多个子区域,每个计算进程模拟计算一个子区域,通过消息传递交换子区域的边界数据从而实现并行计算这一基本思路,完成了并行算法的设计,并分析了并行加速比的影响因素.在三维电磁粒子模拟软件CHIPIC3D上实现了该并行算法并验证了算法的正确性,最后应用CHIPIC3D并行版本对磁绝缘线振荡器和相对论速调管两种典型的高功率微波源器件进行了模拟,证明了该并行算法能取 关键词： 电磁粒子模拟 时域有限差分 并行计算 高功率微波源     

向外发射同轴型虚阴极振荡器研究

在高功率微波源研究领域提出了一种新型虚阴极器件——向外发射同轴型虚阴极振荡器.对其相关束流特性进行了理论分析,得到了同轴空间径向传输空间电荷限制电流,以及虚阴极产生的条件和电子束运动的基本规律.基于数值模拟得到的结果,向外发射同轴型虚阴极振荡器不仅表现出较高的能量转换效率,而且有利于增加虚阴极器件产生高功率微波的脉宽,同时还可以应用于低频段高功率微波源.这种虚阴极器件的可能输出微波方式也进行了讨论 关键词： 虚阴极 高功率微波 脉冲功率 电子束二极管     

Ku波段同轴渡越辐射振荡器的数值模拟

当传统高功率微波器件向高频段拓展时,器件尺寸的缩小将造成空间极限电流及功率容量的减小。基于此提出一种Ku波段同轴结构的渡越辐射振荡器。通过引入同轴结构,器件内部的空间极限电流及功率容量得到了有效提升。调制腔采用三谐振腔结构,与两腔结构相比,调制电子束的能力明显增强。采用高频场软件对调制腔和输出腔进行了冷腔分析。利用2.5维粒子模拟软件对Ku波段同轴渡越辐射振荡器进行了数值模拟,在导引磁场0.6 T、二极管电压392 kV、电流15.2 kA的条件下,在中心频率为14.184 GHz处获得1.2 GW的高功率微波输出,功率转换效率达20%。     

C波段新型渡越管模拟研究

 在三腔渡越管的基础上设计了一种工作在C 波段的新型低阻轴向六腔渡越管，其阻抗为15 Ω左右，采用同轴输出。该器件采用大面积发射阴极，无须外加磁场，结构简单紧凑。采用2.5维PIC软件对该器件进行了2维数值模拟，在输入电压为483 kV、电流为32.5 kA的条件下，输出微波平均功率达到3.0 GW，主频为3.75 GHz，微波模式为TEM模。微波功率效率大于19%，比普通低阻抗器件有明显提高。     

新型低阻抗同轴慢波器件模拟研究

提出一种新型的低阻抗同轴慢波器件,它利用阳极金属网将二极管区与波束互作用区分开,并在波束互作用区采用内外双盘荷波导慢波结构以提高波束互作用效率。利用全电磁粒子模拟软件进行优化设计,结果表明:在输入电功率100 GW、电流95.4 kA的条件下,同轴慢波器件可在L波段获得23 GW的平均输出功率,功率转换效率达到23%。该器件无需外加磁场,结构简单,小型轻便。同时还对阳极金属网的温升状况进行了简单的估算。     

波纹内导体返波振荡器的热腔特性

 导出了波纹内导体同轴慢波结构热腔色散方程，研究了周期波纹深度、电子注平均半径、电子注电流及加速电压对波纹内导体慢波结构的高频场时间增长率的影响。结果表明：慢波结构周期减小、波纹深度加深、电子注平均半径减小、电子注电流增大、加速电压增大均会使高频场时间增长率增大。建立了粒子模型并应用PIC粒子模拟软件进行仿真，对各影响参数进行优化，结果表明：当加速电压为0.5 MV、电子束电流85 kA、波纹周期长度4.4 cm、波纹幅度为0.23 cm、内轴平均半径为2.9 mm和外壁内径为4.4 cm时，可获得10 GHz，1.1 GW效率约25%的单频微波输出。     

An Unmagnetized Plasma-Loaded Relativistic Backward-Wave Oscillator: Experiment and Simulation

Reported in this paper are the results of an experiment to produce high-power microwave radiation from a gas-filled backward wave oscillator (BWO) driven by a relativistic electron beam without external guiding magnetic field. A peak power for background gas pressure at 5.25 mTorr has been observed as argon pressure from 0.75 mTorr to 15 mTorr. Operating frequency of the oscillator has been measured at 9.6 ± 0.4 GHz. The results of PIC simulation are in good agreement with the experimental results. A reasonable explanation is given for experimental results by PIC simulation.     

径向三腔渡越时间振荡器数值模拟

 基于渡越辐射机理结合径向结构的低阻抗特性,提出了一种新型的低阻抗高功率微波器件——径向三腔渡越时间振荡器,它由3个等间距的边耦合同轴腔组成,径向运动电子束与谐振腔中的角向均匀模式场相互作用。采用PIC粒子模拟程序进行了模拟研究。在电子束能量450 keV、束流60 kA且无外加引导磁场的条件下,当结构参数网长为4.8 cm,腔间距为1.4 cm,电子发射面为0.8 cm,内径为8 cm时,获得了平均功率7.4 GW,频率4.1 GHz的微波输出,效率达27.4%,阻抗7.5 Ω。通过粒子模拟给出了束波互作用效率随电子束电压、电流以及谐振腔间距的变化曲线,电子束电压对输出微波频率的影响曲线以及不同谐振频率与最佳谐振腔间距的对应曲线,这些曲线表明该器件具有渡越时间效应的基本特征,属于渡越辐射器件,且具有对电子束质量要求不高的特点。     

Ka波段带状注相对论扩展互作用振荡器的模拟设计

利用三维粒子仿真软件,对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用振荡器进行了模拟仿真设计。采用宽高比为30∶1的带状电子束以降低空间电荷效应,选择多间隙耦合腔为高频结构以增加器件功率容量,在电子束电压为400kV、束流为2kA、轴向引导磁感应强度为1T的情况下,器件输出微波功率为240 MW,频率为30GHz,效率为30%。     

改进的3维粒子模拟并行算法

 提出了两种改进的3维粒子模拟并行算法,改进的并行算法能在每个时间步减少一次进程同步。算法分析和数值模拟表明,由于粒子运动路径和发射的初始位置与随机函数有关,只有一种改进的并行算法能保证并行计算正确。在3维粒子模拟软件CHIPIC3D上实现了改进的并行算法,应用CHIPIC3D对一种相对论返波管进行了并行模拟,模拟结果表明改进的并行算法能取得更高的加速比和效率。     

一种高功率返波管理论

对一种热阴极高功率返波管进行了理论研究,其具有寿命长稳定性好的特点。采用的热阴极发射电流密度为20 A/cm2,发射面积为100 cm2,发射总电流为2 kA。首先对该热阴极单阳极电子枪进行仿真研究,在确保不打火的情况下获得电子枪优化设计参数,再对整管进行粒子模拟研究,仿真结果表明,在工作频率为10.5 GHz时,该热阴极返波管的输出功率可以达到290 MW,换能效率为29%。