等离子体耦合腔行波管高频特性及电子枪的研究

论文摘要

近年来研究发现,在某些微波器件中填充等离子体以后,器件的输出功率和互作用效率都得到显著提高,同时等离子体还可改善电子注的传输质量,甚至取消笨重的外加磁场。全俄电技术研究所、美国休斯实验室和马里兰大学在这方面均有报道,我国电子科技大学高能电子学研究所也正在积极地开展该领域的各项研究工作。本文对任意磁场大小条件下的等离子填充耦合腔慢波结构特性进行了详细的理论研究和数值分析,并对等离子体阴极电子枪进行了实验研究。对于填充磁化等离子体慢波结构,通常采用的线路模型法遇到了困难,尤其当等离子体密度超过一定阈值,使得等离子体频率在耦合腔结构模式频率之上时。本文中采用分区域场匹配结合并矢格林函数、矩量法建立并数值求解磁化等离子体填充耦合腔慢波结构色散方程。利用矢量波函数边界条件在一维空间的射影结合本征函数展开法,构造电磁并矢格林函数,并求出真空区域磁场矢量算子,得到真空区域导纳矩阵元。从麦克斯韦方程组以及双成份等离子体粒子在外部轴向磁场的线性化运动方程出发导出任意纵向磁场中等离子体-腔漂移通道的双组分等离子体介电张量。根据前人推导的结果,结合Floquet定理得到磁化等离子体填充电子注通道场分量表达式,得出磁场矢量算子、相应的等离子体导纳矩阵元、并获得等离子体电子注通道功率流表达式。编制基于上述方法的耦合腔慢波结构特性计算程序,利用已知的耦合腔行波管（961HA）色散特性测试结果来验证算法准确度。然后进行小参量等离子体填充耦合腔慢波结构特性计算分析,得出以下结论:小参量、低密度等离子体填充没有从根本上改变电子注通道的场分布,这种情况下,耦合腔的冷测特性仅仅是对真空情况的修正,其带宽、耦合阻抗没有很大改善。当等离子体频率大于耦合腔结构模式（腔模）频率时候,系统中将出现等离子体—腔混合模式,这些模式几乎充满整个色散空间。对不同等离子体密度、磁场大小情况下的混合模式特性进行详细研究,发现混合模式色散特性受以下三个方面影响:（1）耦合腔慢波结构各个部分的尺寸;（2）等离子体密度;（3）磁炒笮?象征注波互作用效果的参量——耦合阻抗也随着电子注通道场结构分布的改变有大的提高。可以预见,在跳模工作方式下,等离子体耦合腔行波管的带宽、互作用效率均有大的提高。等离子体阴极电子枪是一类新型高电流、长脉冲电子注源,最先在PASOTRON中得到应用。本文中给出了等离子体阴极电子枪的典型设计,并搭建热测平台,采用连续馈气和脉冲馈气两套实验方案分别进行电子枪放电实验和高压出束实验。研究表明,等离子体阴极可以取代材料阴极,在某些HPM源特别是等离子体填充行波管中有很大的应用潜力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 等离子体微波技术
• 1.1.1 微波在等离子体中的传输
• 1.1.1.1 各向同性等离子体中的传输
• 1.1.1.2 各向异性等离子体中的传输
• 1.1.2 微波等离子体相互作用
• 1.1.3 三体相互作用
• 1.1.4 等离子体填充微波源的优点
• 1.1.4.1 增大束电流容量
• 1.1.4.2 可减小外部磁场
• 1.1.4.3 可提高功率和效率
• 1.1.4.4 模式抑制
• 1.1.4.5 拓宽带宽
• 1.2 等离子体填充高功率微波器件主要实验
• 1.2.1 相对论器件
• 1.2.2 非相对论器件
• 1.2.2.1 等离子体辅助慢波振荡器（PASOTRON）
• 1.2.2.2 等离子体填充耦合腔行波管
• 1.2.3 其他相关国内外研究机构
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 等离子体耦合腔慢波结构色散方程
• 2.1 真空耦合腔色散分析方法
• 2.1.1 Curnow-Gittins等效线路法
• 2.1.2 改良后的等效线路法
• 2.2 等离子体填充耦合腔慢波结构色散分析方法
• 2.2.1 等离子体耦合腔慢波结构物理模型
• 2.2.2 腔体开孔、耦合等边值问题的分析方法
• 2.2.3 等离子体耦合腔分析方法
• 2.3 小结
• 第三章 真空区域电磁场矢量算子及矩阵元
• 3.1 两类边界格林并矢的构造法
• 3.1.1 电壁边界格林并矢的构造
• 3.1.2 磁壁边界格林并矢的构造
• 3.1.3 讨论
• 3.2 真空区域格林并矢函数
• 3.2.1 同轴腔第二类电型格林并矢函数
• 3.2.1.1 同轴腔的TM模式:波函数（?）
• 3.2.1.2 同轴腔的TE模:波函数（?）
• 0'>3.2.1.3 同轴腔的TEM模式:（?）₀
• 3.2.1.4 矢量波函数的归一化常数
• 3.2.2 圆柱腔第二类电型格林并矢
• 3.2.3 耦合槽（扇形区域）第二类电型格林并矢函数
• 3.2.3.1 求波函数（?）
• 3.2.3.2 求波函数（?）
• 3.2.3.3 归一化常数
• 3.3 真空区域磁场矢量算子
• 0（（?）₀,0,0）'>3.3.1 0区域算子（?）₀（（?）₀,0,0）
• 0（0,0,（?）_n）'>3.3.2 0区域算子L₀（0,0,（?）_n）
• 2{（?）_n,0}、（?）₂{0,（?）_n}'>3.3.3 2区域算子（?）₂{（?）_n,0}、（?）₂{0,（?）_n}
• 0,0}、（?）₁{0,（?）₀}'>3.3.4 扇形区域（—1区域）算子L1{（?）₀,0}、（?）₁{0,（?）₀}
• 3.4 导纳矩阵元
• 3.5 小结
• 第四章 磁化等离子体电子注通道的磁场矢量算子及矩阵元
• 4.1 双组分等离子体介电张量
• 4.2 磁化等离子体电子注通道场分析
• 4.2.1 横向场分量
• 4.2.2 纵向耦合波方程
• 4.2.3 等离子体填充电子注通道场解
• 4.3 电子注通道磁场矢量算子及导纳矩阵元
• 4.4 功率流
• 4.5 小结
• 第五章 小参量等离子体填充耦合腔慢波结构特性分析
• 5.1 真空情况
• 5.1.1 真空耦合腔慢波结构特性分析软件介绍
• 5.1.2 精确度分析
• 5.2 小参量磁化等离子体填充情况特性分析
• 5.2.1 色散分析
• 5.2.3 耦合阻抗
• 5.3 小结
• 第六章 等离子体—腔混合模式特性分析
• 6.1 模式密度谱
• 6.2 周期等离子体空间电荷波
• 6.3 模式分离
• 6.4 考虑一次等离子体振荡混合模式的色散分析
• 6.5 混合模式耦合阻抗分析
• 6.6 小结
• 第七章 等离子体阴极电子枪实验研究
• 7.1 实验设计
• 7.1.1 空心阴极
• 7.1.2 阴—阳极间隙
• 7.1.3 总体设计
• 7.1.4 测试方法
• 7.2 等离子体阴极电子枪连续馈气实验研究
• 7.3 等离子体阴极电子枪脉冲馈气实验研究
• 7.3.1 光控脉冲馈气系统
• 7.3.1.1 馈气系统结构设计
• 7.3.1.2 瞬态馈气实验
• 7.3.2 脉冲馈气等离子体阴极电子枪实验测试
• 7.4 小结
• 第八章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果