微波热解炭化炉谐振腔的设计与仿真

谐振腔的设计是微波热解炭化炉设计中最重要的环节,其中馈口的数目和分布方式对腔体中电磁场的分布具有较大的影响。基于微波技术波导理论,针对单馈口、两馈口和四馈口3种激励方式提出5种分布方案;采用矢量分析法对腔体中电磁场分布进行理论分析;借助HFSS仿真软件,仿真不同方案腔体内电磁场的分布,得到多馈口激励的最佳分布方案,为微波热解炭化炉谐振腔的优化设计提供了基础。     

强流相对论电子束群聚的空间电荷波理论分析

介绍了在长脉冲强流相对论速调管(RKA)研究中强流相对论空心电子束(IREBs)的一种小信号群聚理-空间电荷波理论。建立了IREBs在漂移管中传输的色散方程,以及IREBs与RKA输入腔间隙电场相互作用和IREBs在漂移管中群聚传输的传输线模型,获得了电子束经过输入腔间隙后产生的调制电流表达式。利用500 kV、3 kA、脉宽约1.4 μs的空心电子束,注入70 kW的微波调制,束流经过输入腔后,得到了约9.8%的基波电流调制深度,研究结果与理论分析基本一致。     

相位调制对大面积甚高频等离子体反应腔内电磁场的影响

本文提出了一种动态多次调制相位的方法,通过三维电磁场模拟仿真发现,这种方法可以有效的抑制驻波效、显著改善电磁场在反应腔内分布的不均匀性。     

电子束横波与微波场能量交换的理论分析

通过对电子束在微波场中运动情况的分析,建立了微波场与电子束相互作用的单电子运动学模型,得到了电子束横波的表达式;从理论角度分析了电子束横波与微波场进行能量交换的机理,导出了回旋波、同步波与微波场进行能量交换的表达式,得出能量交换的效率与电子束流大小、外加场频率、回旋频率以及横向位移有关,为设计制作高效率的微波场能量交换器件提供了理论依据.     

微波加热均匀性改善及微波闪蒸多模腔体优化研究

针对有色金属废水处理难题,蒸发处理含重金属离子的废水,改善微波加热均匀性和微波闪蒸效率.根据微波谐振腔的腔壁微扰理论,结合准光学腔的稳定性条件,对圆柱形的微波闪蒸装置的结构进行更改,设计了一种新型的准光学微波闪蒸多模腔体.通过分析给出了微扰程度对反应腔体内场分布的影响,在微扰限度内,通过优化改善腔体内的谐振模式数分布,改善微波加热的均匀性,获得最优化的腔体尺寸,并利用基于有限元算法的三维电磁仿真软件HFSS,对微扰前后闪蒸腔体内的场分布进行数值模拟.模拟结果表明基于理论设计的新型准光学微波闪蒸多模腔体内场分布更均匀,场强更强,热点现象明显减弱,可以有效避免蒸发加热过程中的过冷或过热现象.     

矩形微波腔体双馈口位置与加热效率仿真及验证

针对热风微波耦合装置设计了一种双馈口矩形微波加热腔体,利用电磁仿真软件HFSS对矩形微波加热腔体建模,分别建立了体积相当、位置一致的圆柱形和长方体样品模型.仿真了不同的馈口位置、样品形状及物料装载量对微波加热效率的影响.通过分析S参数曲线得到两个馈口应相互垂直分布以及馈口的最佳安装位置;通过仿真结果可得知,内置圆柱形样品的腔体场强分布更加均匀,其微波加热效率相比长方体形样品提升了11.08%;微波加热效率随物料装载量增加呈现上升趋势.通过试验得到该加热腔的有效功率为71%~75%,验证了馈口分布、位置以及微波加热腔尺寸设计的合理性,该研究结果在热风微波耦合装置研发过程中有较实际的指导意义.     

圆柱腔宽带反相馈电模式滤波法研究

工作于TE01p模的圆柱腔具有高Q值低损耗的优点,但干扰模的存在使其宽频带的应用受到限制。文章在分析了圆柱腔中干扰模的场分布特点的基础上,设计了一种新的反射型馈电方式,采用宽带反相功分器将微波信号分两路馈入腔中,结合部分螺旋波导即可实现圆柱腔TE01p模式的纯净度。给出的测量结果表明,与采用传统直接馈电方式的谐振腔相比,在不损失品质因数的情况下,获得了良好的滤波性能。     

同轴结构微波灭菌装置电磁特性模拟

根据细胞电穿孔机理,当外加电场达106 V/m,细胞膜将被击穿,内部物质外泄导致细胞灭亡。以微波生物效应、电磁场集中理论为指导,采用CST软件模拟分析2450 MHz,λ/4同轴腔形式的微波灭菌装置,得出电磁场结构分布图。结果表明,当输入功率达到102 W量级时,灭菌区域满足细胞瞬态击穿的场强要求,能够实现空气的快速灭菌。     

微波加热Fe3O4过程中电磁场变化数值模拟

采用FDTD方法,利用C语言编写电磁场和温度场耦合程序,对微波单模腔中加热的Fe3O4的电磁场、温度场的变化进行数值模拟.结果显示,在Fe3O4微波加热过程中,电场强度逐渐藏小,而磁场强度逐渐增大;磁损耗功率远大于电损耗功率,因此总的损耗功率和磁损耗功率随时间的变化趋势一致,说明在Fe3O4微波加热过程中磁损耗起主要作用;而Fe3O4微波加热升温的模拟值与实验值的变化趋势相符.     

肿瘤微波热疗三维温度场热域控制及红外热成像

研究了肿瘤热疗过程中正弦调制信号控制微波辐照时的均匀仿真模型内部三维温度场分布以及热域体积.为使肿瘤区域内产生有效的热效应,提出正弦信号调制微波输出,对三维分层仿真模型中各层的温度进行红外热成像分析,然后对三维温度场进行光线投射重建,测量三维有效热域的相对体积,分析讨论正弦调制微波功率和周期对生物组织加热区域内温度分布与三维热域相对体积的影响.结果表明,正弦调制信号控制微波加热可有效控制生物组织内部的温度分布;采用提高正弦调制微波功率、在一定范围内改变调制微波的周期的方式来提高生物组织加热区域内的热效应和热域体积,可为肿瘤微波热疗三维温度场热域控制、观察与测量提供初步依据。     

8 mm带状注扩展互作用振荡器研究

研究了采用带状电子束的周期加载矩形扩展互作用振荡器,分析该结构的优点、色散特性和耦合阻抗,并利用模拟软件进行了冷腔分析。设计出了工作波长为8 mm的腔体结构,分析了工作模式为TM31模的场分布。按照冷腔设计结果进行了PIC粒子模拟,电压为19 kV、电流为3 A的带状电子束在纵向磁场为0.3 T的约束下与腔体中的TM31模电磁波互作用。模拟结果表明,电磁波的输出波频率为37.9 GHz,功率为3.5 kW,验证了在该结构中带状注与高次模互作用的设计思想。     

紧凑型静电加速管的原理设计

提出了利用紧凑型静电加速管对强流相对论电子束进行加速的概念。通过理论分析及粒子模拟,对1 kA、500 kV的初始入射电子束,在约0.8 m的加速段加速使其达到10 MeV,在没有聚束磁场的前提下电子束可以得到传输和加速。通过优化设计可使加速腔的最大场强降为20 MV·m-1。     

同轴波导自由电子激光放大器的粒子模拟

采用PIC模拟方法对同轴混合铁磁摇摆器自由电子激光器进行了研究,分析了等离子体填充对其性能的影响。粒子模拟结果表明,这种同轴摇摆器结构FEL在工作电压较低(205 kV)的情况下仍可以得到较好的放大输出,效率达到27.3%,饱和功率达到兆瓦级;等离子体填充对器件的性能有一定的影响,改善了束流传输特性。     

3 mm低电压回旋管设计与模拟

设计了一种3mm低电压二次谐波渐变结构复合腔回旋管,采用二次回旋谐波工作可以在获得高效率的同时,降低工作磁场到基波工作所要求磁场的1/2,使磁场系统简单紧凑。选择工作电压为25kV,可以降低回旋管对绝缘的要求和供电系统的体积及重量;采用渐变结构复合腔控制模式竞争和提高效率;工作模式为低损耗的TE02/TE03模式,有利于连续波工作。通过对回旋管中谐振腔结构、模式竞争以及注—波互作用的研究,分析了高频结构特性、寄生模式的抑制和工作参数优化等问题,给出了模拟设计结果。     

毫米波行波管电子光学系统计算机模拟

分析了毫米波行波管电子光学系统的基本特征和设计方法。提出了建立一体化电子光学模型,通过PIC模拟研究电子注静态传输特性的方法。对于改进和优化行波管电子光学系统设计,实现"设计制管一次成功"具有一定的参考价值。     

基于光子晶体慢波结构的太赫兹返波管研究

研究了一种光子晶体的慢波结构,通过对该结构的色散、场分布和粒子模拟计算,设计和仿真了一个0.28-THz的带状注返波管。在阴极电流密度仅10 A/cm2(最小可低于6 A/cm2),电压12.5 kV,磁场0.5 T的情况下,该结构通过与带状电子注浸没式互作用,输出功率为435 mW。在此基础上,采用了LIGA加工技术制备了该慢波结构。研究表明,光子晶体结构能有效提高互作用效率和降低起振电流密度,有效提高太赫兹真空电子器件阴极的使用寿命,是提高太赫兹真空辐射源性能的一种有效途径。     

腔外激光束整形系统设计

根据波动光学的原理及腔外透射型衍射体对光波动场的波前进行变换调制的理论,设计了一种组合式腔外激光束整形系统．对系统的每一透射式元件进行透射函数分布设计并组成一个系统,使激光束通过该系统后,对光波场波前实现调制和整形．     

一种新型的高功率微波脉冲功率源研究

从微波器件角度提出一种新型脉冲功率源,采用脉冲空心变压器技术路线,通过特殊设计,使初级线圈不仅为次级线圈提供变化磁通,也产生脉冲高压,脉冲高压对脉冲形成线充电,然后产生微波器件需要的电子束,同时初级线圈也可以为微波器件提供相应较强的引导磁场,从而实现脉冲功率源同时为微波器件提供电子束和相应的引导磁场。该新型脉冲功率源可以在一定工作范围内较好地提高脉冲功率源的利用效率,尤其是在小型化结构方面更为明显。     

两种电子温度等离子体系统中的电子束流不稳定性

在一个包含两种不同温度电子的等离子系统中,用一维全粒子模拟模型研究电子束流不稳定性.在模拟模型中,考虑了离子与电子的实际质量比与将离子看成是静止不动的背景离子相比,在一维全粒子模拟中噪声要低,并且由于离子的原因电子束流不稳定性变弱.由于电子速度分布出现的平台和一维全粒子模拟模型中电子洞的形成使得孤波产生,在模拟中该孤波沿着电子束流的反方向传播.