磁绝缘线振荡器重频运行技术研究
本文关键词： 磁绝缘线振荡器 重频运行 模式控制 金属阵列阴极 高功率微波 出处：《中国工程物理研究院》2016年博士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：作为目前单脉冲比能最高的高功率微波器件,磁绝缘线振荡器(MILO, Magnetically Insulated Transmission Line Oscillator)是最有应用前景的紧凑化、轻量化高功率微波源之一。为了进一步提高MILO的输出微波能量,本论文开展了MILO重复频率运行关键技术研究。在已有的研究结果基础之上,从MILO器件的基本工作原理出发,重点研究制约MILO器件重复频率运行性能的两个主要关键技术问题,即模式控制技术及重频径向发射强流阴极技术。根据MILO器件的工作特点提出了模式控制的基本原理和方法。提出了角向开槽慢波结构用于抑制非对称模式起振。运用解析方法推导了这种慢波结构的高频场分布,从理论上证明了所提出的模式控制结构的可行性。运用粒子模拟和实验研究的手段对所提出的模式控制方法进行了验证,提出了非对称模抑制型MILO(HD-MILO)。以美国空军实验室负载限制型MILO为原形,设计了一套S波段HD-MILO器件并开展了数值模拟研究,结果表明采用模式控制结构的HD-MILO器件能有效抑制非对称模式起振,降低器件对阴极发射均匀性的要求而稳定工作在基模。利用实验室已有L波段MILO器件开展了模式控制技术的实验验证,实验结果同样证明了所提出的非对称模抑制方法的有效性。提出了金属阵列结构阴极作为HD-MILO器件重复频率运行的阴极并开展了粒子模拟及发射性能实验研究。在输入电压631 kV、电流65 kA的条件下,模拟得到6.4 GW高功率微波输出,频率1.57 GHz,功率转换效率15.8%。金属阵列阴极HD-MILO与天鹅绒阴极MILO的发射性能对比实验结果表明：金属阵列阴极发射电流强度及均匀性能够满足HD-MILO器件的工作要求,而其放气量比天鹅绒阴极MILO低一个量级以上。金属阵列阴极HD-MILO在进行了超过400个脉冲的单次运行实验后并没有观察到明显的性能变化,表明金属阵列阴极的寿命远大于天鹅绒阴极。开展了L波段金属阵列阴极HD-MILO器件重复频率运行的实验研究。该器件在5Hz/1s、10Hz/1s、20Hz/1s以及20 Hz/2 s等不同重复频率条件下均能稳定工作,在输入12 GW左右电功率的条件下输出微波功率维持在550 MW左右的水平,无明显脉冲缩短现象出现。真空演化分析结果表明器件可以在20 Hz重频条件下长时间稳定运行。2000余个脉冲的重频运行之后未观察到器件输出性能出现明显的退化。之后开展了不带非对称模抑制结构的金属阵列阴极MILO器件实验,结果进一步验证了模式控制技术的有效性。采用数值模拟的方法模拟了收集极等离子体对器件工作状态的影响。结果表明,收集极等离子体会导致器件出现过绝缘现象,使得器件功率转换效率降低。通过引入阶梯阴极结构降低收集极表面电场以降低收集极等离子体产生率,模拟优化得到了与无收集极阳离子发射时相当的输出微波指标。在此基础上加工了阶梯结构的金属阵列阴极,重频实验4000个脉冲以后未观察到器件输出性能出现明显的退化。
[Abstract]:In order to improve the output microwave energy of MILO , this paper presents the basic principle and method of mode control based on the basic working principle of MILO .
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN752
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，本文编号：1502704
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