本文關鍵詞： 磁絕緣線振蕩器 重頻運行 模式控制 金屬陣列陰極 高功率微波　出處：《中國工程物理研究院》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：作為目前單脈沖比能最高的高功率微波器件,磁絕緣線振蕩器(MILO, Magnetically Insulated Transmission Line Oscillator)是最有應用前景的緊湊化、輕量化高功率微波源之一。為了進一步提高MILO的輸出微波能量,本論文開展了MILO重復頻率運行關鍵技術研究。在已有的研究結果基礎之上,從MILO器件的基本工作原理出發(fā),重點研究制約MILO器件重復頻率運行性能的兩個主要關鍵技術問題,即模式控制技術及重頻徑向發(fā)射強流陰極技術。根據(jù)MILO器件的工作特點提出了模式控制的基本原理和方法。提出了角向開槽慢波結構用于抑制非對稱模式起振。運用解析方法推導了這種慢波結構的高頻場分布,從理論上證明了所提出的模式控制結構的可行性。運用粒子模擬和實驗研究的手段對所提出的模式控制方法進行了驗證,提出了非對稱模抑制型MILO(HD-MILO)。以美國空軍實驗室負載限制型MILO為原形,設計了一套S波段HD-MILO器件并開展了數(shù)值模擬研究,結果表明采用模式控制結構的HD-MILO器件能有效抑制非對稱模式起振,降低器件對陰極發(fā)射均勻性的要求而穩(wěn)定工作在基模。利用實驗室已有L波段MILO器件開展了模式控制技術的實驗驗證,實驗結果同樣證明了所提出的非對稱模抑制方法的有效性。提出了金屬陣列結構陰極作為HD-MILO器件重復頻率運行的陰極并開展了粒子模擬及發(fā)射性能實驗研究。在輸入電壓631 kV、電流65 kA的條件下,模擬得到6.4 GW高功率微波輸出,頻率1.57 GHz,功率轉換效率15.8%。金屬陣列陰極HD-MILO與天鵝絨陰極MILO的發(fā)射性能對比實驗結果表明：金屬陣列陰極發(fā)射電流強度及均勻性能夠滿足HD-MILO器件的工作要求,而其放氣量比天鵝絨陰極MILO低一個量級以上。金屬陣列陰極HD-MILO在進行了超過400個脈沖的單次運行實驗后并沒有觀察到明顯的性能變化,表明金屬陣列陰極的壽命遠大于天鵝絨陰極。開展了L波段金屬陣列陰極HD-MILO器件重復頻率運行的實驗研究。該器件在5Hz/1s、10Hz/1s、20Hz/1s以及20 Hz/2 s等不同重復頻率條件下均能穩(wěn)定工作,在輸入12 GW左右電功率的條件下輸出微波功率維持在550 MW左右的水平,無明顯脈沖縮短現(xiàn)象出現(xiàn)。真空演化分析結果表明器件可以在20 Hz重頻條件下長時間穩(wěn)定運行。2000余個脈沖的重頻運行之后未觀察到器件輸出性能出現(xiàn)明顯的退化。之后開展了不帶非對稱模抑制結構的金屬陣列陰極MILO器件實驗,結果進一步驗證了模式控制技術的有效性。采用數(shù)值模擬的方法模擬了收集極等離子體對器件工作狀態(tài)的影響。結果表明,收集極等離子體會導致器件出現(xiàn)過絕緣現(xiàn)象,使得器件功率轉換效率降低。通過引入階梯陰極結構降低收集極表面電場以降低收集極等離子體產(chǎn)生率,模擬優(yōu)化得到了與無收集極陽離子發(fā)射時相當?shù)妮敵鑫⒉ㄖ笜恕Ｔ诖嘶A上加工了階梯結構的金屬陣列陰極,重頻實驗4000個脈沖以后未觀察到器件輸出性能出現(xiàn)明顯的退化。
[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 .

【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN752

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本文編號：1502704