60GHz，500kW大功率回旋振荡管的设计与模拟

论文摘要

随着对各种微波器件研究的不断深入,在微波波段,微波器件得到了很大的发展和应用,但当工作频率提高至毫米波及亚毫米波波段时,由于结构,工艺材料和工作机理,普通微波管工作在这一频段遇到了极大的困难,提高工作效率以及输出功率上也遇到了严重的困难。回旋脉塞器件的出现,在机理上突破和解决了传统微波器件所遇到的困难,对毫米、亚毫米波波段的开拓和利用带来了新的希望和巨大的推动作用。回旋管器件不仅结构相对比较简单、体积小,而且能在很宽的频率范围内,特别是在毫米波及亚毫米波波段以多种方式产生高脉冲峰值功率与连续波功率,在毫米波电磁频谱的开发方面,回旋管系列起着极其重要的作用。回旋管在毫米波雷达、通信、电子战、高功率微波武器研究、受控热核聚变、高能粒子加速器及等离子体加热等领域的诱人应用前景,使回旋管的研究开发在国际上受到了高度重视,从而推动了回旋管的发展。从20世纪60年代后期开始,受控磁聚变实验的应用促进了长脉冲(最后是连续脉冲)高功率回旋管振荡器的发展。回旋管工作频率的选择取决于聚变反应堆中的磁场。一般情况下,在约束磁场中的靶物质超过10万摄氏度时,原子中的电子就脱离了原子核的束缚,形成等离子体。现今用于受控磁聚变实验的Tokamak装置都是采用辅助的加热源。回旋管的高功率特性决定了其可在Tokamak装置中作为良好的加热源。回旋管的脉冲宽度开始相当于典型的等离子体约束时间,在现代的大型Tokamak装置中,等离子体约束时间约为几秒,未来的等离子体装置要求的工作时间将为几分钟或者更长,因此,将需要连续波回旋管对等离子体装置加热目前,我国在核聚变研究装置环流2号中需要一种工作频率为60GHz,输出功率为500kW的连续波回旋振荡管用于等离子体加热,本人论文工作在此背景之下展开。本文将以回旋管线性及非线性理论为基础,借助计算机编程计算以及粒子模拟程序MAGIC,进行模式选择,计算出该回旋管起振电流,工作磁场、工作电流、互作用效率以及输出功率,并根据输出功率的要求,设计互作用腔的腔体参数。最后通过MAGIC进行模拟计算,通过调整参数,对模拟结果进行比较。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高功率微波源的发展和现状
• 1.2 电子回旋脉塞（ECRM）
• 1.3 回旋管基本原理
• 1.3.1 回旋单腔管基本模型
• 1.3.2 电子群聚原理
• 1.4 回旋管研究的基本理论
• 1.5 回旋振荡管与电子回旋加热（ECH）
• 1.6 学位论文的工作与贡献
• 第二章 回旋单腔振荡管的线性理论分析
• 2.1 线性伏拉索夫方程的求解与驱动电流密度的计算
• 2.2 电子注与波互作用功率及起振电流的计算
• 第三章 回旋单腔振荡管的自洽非线性理论分析
• 3.1 引言
• 3.2 电子运动方程
• 3.3 互作用场方程
• 第四章 电磁粒子模拟（PIC）方法
• 4.1 引言
• 4.2 电磁粒子模拟方法的原理及模型
• 4.2.1 有限大小粒子
• 4.2.2 电磁模型
• 4.2.3 粒子的运动
• 4.2.4 电磁粒子模拟的计算流程
• 4.3 电磁粒子模拟方法的适应性
• 4.4 电磁粒子模拟方法的稳定性
• 4.5 电磁粒子模拟方法在回旋管中的应用
• 4.6 小结
• 第五章 60GHz 大功率回旋振荡管的设计方案及计算机模拟
• 5.1 回旋管腔体设计
• 5.1.1 引言
• 5.1.2 腔体结构的选择
• 5.1.3 模式选择以及腔体半径的确定
• 5.1.4 电子回旋半径的确定
• 5.1.5 腔体尺寸的设计
• 5.2 起振电流的计算以及磁场的选择
• 5.2.1 起振电流的计算
• 5.2.2 工作电流的选取方案
• 5.3 工作磁场的对互作用效率的影响及选择方案
• 5.4 电子纵横速度比α对互作用效率的影响及选择方案
• 5.5 工作电压对互作用效率的影响及选择方案
• 5.6 设计参数总结
• 5.7 基于MAGIC 的计算机模拟结果及分析
• 5.8 改变设计参数后的MAGIC 模拟结果及分析
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果