同轴腔高功率多注速调管注-波互作用系统的模拟设计

以同轴腔高功率多注速调管为研究对象,以大信号程序KLY及PIC粒子模拟软件对其多电子注-波互作用系统开展了一维初始设计、二维等效设计及全三维模拟设计.通过采用二次谐波腔技术及参数优化,使同轴腔注-波互作用系统达到了70％以上的计算效率.与传统长漂移管方案注-波互作用系统相比,二次谐波腔方案不仅可以获得较高的注-波互作用效率,并且其系统长度可比传统方案缩短35％,有利于器件小型化.文中给出了以单通道圆柱腔代替多通道同轴腔的注-波互作用系统二维等效快速计算方法,与一维及三维计算结果的对比表明,这种方法具有较高的计算精度.     

多间隙休斯结构耦合腔轴向电场分布的解析计算

在考虑相邻谐振腔间耦合作用对电场分布影响的基础上,分析了多间隙休斯结构耦合腔中存在模式电场分布的特点,采用双曲正割函数拟合代替传统无耦合单间隙腔中电场分布计算的高斯函数拟合,构建了多间隙耦合腔轴向电场分布函数计算的解析表达式。经不同几何参数和间隙数目耦合腔的仿真验证,电场分布解析计算结果与CST-MWS仿真结果具有好的一致性,对分布作用速调管注波互作用模拟和工程研制有益。     

W波段回旋速调管放大器的优化设计与分析

在模式场匹配理论和注波互作用非线性理论的基础上,对TE01模W波段回旋速调管冷腔模型进行了模拟分析,通过分析结果建立了4腔高频系统粒子模拟模型,并对其注波互作用进行了详细分析、计算,优化得到在注电压为75kV,注电流为15A,磁场为3.29T,输入功率为72W,纵横速度比α为1.5时,输出功率为362kW,效率超过32%,增益为37dB的设计模型。     

螺旋线行波管的时域粒子模拟研究

基于粒子模拟技术研究了螺旋线行波管的时域非线性理论,慢波结构中的场通过螺旋带模型求解得到,并考虑了夹持杆和屏蔽桶的影响,推导得到了注-波互作用的动理学方程;聚焦磁场可以是直流磁场也可以是周期永磁场;用泊松方程求解得到空间电荷场;注-波互作用方程用MacCormack的差分格式进行计算。给出了时域计算得到的瞬态特性,并与基于一维Christine及三维Christine理论的计算结果进行了比较。     

多注耦合腔慢波结构冷测特性研究

对多注耦合腔慢波结构的色散和耦合阻抗特性参数的计算分析方法进行了讨论,特别是边注耦合阻抗的模拟算法.利用准周期边界条件计算了Ku波段五注耦合腔慢波结构色散特性,直接通过定义式得到了-1次谐波纵向电场分布和5个电子注的耦合阻抗曲线.比较了垂直于电子注传播方向截面上x、y坐标轴上电场Ez的分布,以及各电子注耦合阻抗的差别与变化趋势,分析讨论了多注电子耦合阻抗的特点,对实际多注耦合腔行波管设计有一定指导意义.     

盘荷波导结构高频特性分析及其在高功率速调管中的应用

以周期边界法、谐振法以及微扰法分别对盘荷波导结构色散特性、耦合阻抗进行分析,研究了不同结构参数下盘荷波导结构高频特性的变化规律.设计了C波段π/2模速调管盘荷波导输出结构,对其注-波互作用开展了PIC粒子模拟.计算结果表明,相对于传统单间隙圆柱输出腔,盘荷波导输出结构可以在获得高效率的同时显著降低输出间隙场强.     

双间隙耦合输入腔的计算与仿真研究

根据微波电路及谐振腔电磁场基础理论,建立了双间隙耦合输入腔的等效电路模型,模型考虑了频率偏谐,外观品质因数失配以及电子注电导的影响。推导出间隙电压计算公式和输入端口匹配时腔体外观品质因数与腔体品质因数的关系。分别利用高频软件(HFSS)及粒子模拟软件(MAGIC3D)建立了仿真模型,进行了冷腔及电子注模拟,分析了电子注的电子负载效应对腔体参数的影响。理论计算与仿真与结果一致,证明了等效电路模型的准确性。     

同轴交错双栅行波管三维频域非线性注波互作用计算和比较

建立了同轴交错双栅行波管三维频域非线性注波互作用模型和公式。通过利用仿真软件求解渐变衰减材料对波的衰减特性,并与本文模型和公式结合编入非线性计算程序,使程序中对渐变/跳变衰减对注波互作用影响有更准确的求解。在小结构横截面保证商业软件计算容量允许条件下,比较了本文程序与仿真软件计算的注波互作用结果,并在相对大尺寸下设计了Ka波段同轴交错双栅行波管,以证实模型的合理性和在高频率产生高功率的可能性。     

改进2.5维多频大信号互作用程序模拟螺旋线行波管非线性交调互调特性

改进稳态行波管场论大信号互作用模型,将工作频率考虑为最小公因子基波的整数倍,采用频域等效粒子模拟算法,求解离散化亥姆霍兹方程获得空间电荷场数值解,建立半解析半粒子的2.5维行波管多频互作用模型,模拟多频工作时行波管中信号间的交调和互调的非线性特性,计算结果与L波段螺旋线行波管的互调、三阶和五阶交调试验比较具有较好的一致性。     

等效电路法计算耦合腔慢波结构特性

耦合腔慢波结构的等效电路模型是实际情况的一种近似,冷测计算结果存在一定误差,特别是在整个冷测带宽内精度不能保持一致。为提高计算精度,通过对等效电路参数的分析,引入参数对间隙电容和耦合槽谐振频率计算公式进行了修正。利用修正的模型模拟了10 GHz~16 GHz的单槽和双槽耦合腔慢波结构,分析了修正参数对计算精度的影响,提出了不同修正方案来提高整个冷测带宽内计算精度,与电磁场数值计算结果最大相对误差为1.6%。计算结果表明修正参数可以将工程经验引入设计开发中,有效地提高等效电路模拟精度,对实际工程设计具有指导意义。     

Design of interaction cavity of a 170-GHz, 1-MW gyrotron for ECRH application

The design of the interaction cavity of a 170 GHz gyrotron operating in the TE_34,10 mode is presented in this article. An in-house developed code GCOMS and Particle-in-Cell (PIC) code MAGIC are used for the mode selection and beam-wave interaction simulations, respectively. The cold cavity analysis and beam-wave interaction computation are carried out to analyze the eigenmode and output power, respectively. A thorough parametric analysis of the interaction cavity geometry and electron beam parameters is also carried out with respect to the output power and frequency. The results show the capability of the interaction cavity, designed for the TE_34,10 mode, to produce more than 1 MW of RF power of a gyrotron at the operating frequency of 170.03 GHz.     

动态渐变技术螺旋线行波管三维非线性互作用的计算

采用考虑面电流分布的螺旋带模型计算行波管的冷测参数,基于三维场论模型,通过粒子模拟方法求解空间电荷场的数值解,开发出专业的行波管高频结构互作用代码,计算了一种动态渐变技术(DVT)的C波段超高电子效率行波管,电子效率达到42%,分析其调幅调幅(AM/AM)和调幅调相(AM/PM)的非线性特征,结果与文献报导结果具有很高的一致性,并给出了电子能谱结构和降压收集极分析图,为多级降压收集极的设计提供精确的三维电子轨迹和分析依据.     

螺旋慢波电路参数变化对行波管特性的影响

借助于行波管CAD技术的发展,建立了螺旋线行波管三维电磁冷模型和注-波互作用大信号模型,就螺旋慢波电路参数在公差范围内外做细微变化时,所带来行波管冷热特性的影响进行了全面研究和讨论,得出了一些有用结论.这为生产厂家在考虑成本的前提下,有效控制工艺参数,提供了具有实际指导意义的参考.     

基于Sobol’法的可变形状空腔全局灵敏度分析

高速气流经过空腔结构产生的高强度空腔噪声极易诱发空腔内结构共振而导致腔内元器件声疲劳破坏。提出了一种可变形状空腔控制方法,该控制方法通过机械装置调节空腔前、后壁面的倾斜角度达到降低空腔噪声的目的;在Ma=0.85条件下,利用大涡模拟(LES)预测空腔内的流体流动,以可变形状空腔的前、后壁面的倾斜角度作为设计变量,以空腔底板表面噪声载荷的主模态幅值作为响应,利用基于MSE准则的Kriging方法建立二自由度可变形状空腔的代理模型,利用Sobol’法分析模型的全局灵敏度。发现,可变形状空腔的前、后壁面倾斜可以明显抑制空腔底板表面噪声载荷的主模态幅值,其中后壁面倾斜的全局灵敏度为前壁面倾斜的1.712倍,并且前、后壁面倾斜对空腔底板表面噪声载荷的主模态幅值的交互影响小。     

双稳系统随机共振效应的数值分析

以绝热近似随机共振理论为基础,分析了双稳系统随机共振模型,研究系统参数、噪声强度、信号幅值和频率变化对双稳系统随机共振效应的影响。通过分析得出,输入信号和系统参数一定时,系统发生随机共振所需要的噪声存在一个最佳强度;信号幅值的增大有利于随机共振效应的产生;信号频率的增大将使输出功率谱信号频率处谱峰逐渐离开噪声能量集中的低频区,且谱峰幅度逐渐减小,随机共振效应逐渐弱化消失。针对信号幅值、频率、噪声强度超出绝热近似理论的小参数要求而成为大参数,对变尺度方法实现大参数信号的随机共振进行分析和评述。     

双间隙谐振腔耦合缝调谐结构的分析与模拟

根据双间隙耦合腔等效电路和电磁场理论,设计了加载在谐振腔耦合缝上的调谐结构。建立了加载此调谐结构的谐振腔等效电路模型,通过理论分析得此结构能够对工作在π模式的双间隙耦合腔进行频率调谐,改变重叠模式耦合腔阻抗特性,同时减小对间隙场形的影响。软件模拟与理论分析结果一致,验证了该调谐结构的有效性,为多间隙耦合腔高频电路的研制和进一步展宽速调管输出带宽具有重要的参考意义。     

负-正相速跳变慢波结构行波管的小信号理论辅助分析

应用Pierce小信号理论,对设计高效率宽带行波管的一般方法进行分析,采用螺距跳变渐变技术,形成了相速减少和相速增加两段结合的输出段作为宽带行波管的慢波结构,并采用散热性能好的半金属化夹持杆慢波结构产生反常色散曲线。为了提高行波管工作频带的电子效率,在高频点(18 GHz),利用遗传算法并调用1维BWIS互作用程序,对相速减少和相速增加两段相结合输出段的慢波结构进行了优化。计算结果表明:行波管在工作频带(6~18 GHz)获得了比较平坦的饱和输出功率,为下一步实际研制宽带行波管提供了理论依据。     

内燃机车司机室低频声-固耦合振动仿真

通过建立内燃机车声固耦合有限元模型,并在底架与转向架接触处施加X、Y、Z方向上的单位激扰力载荷,计算出司机室在30 Hz～150 Hz的声场响应。分析内燃机车司机室声固耦合模态、司机室振动响应、司机室空腔的声学模态以及司机室的声场响应得知,司机室的声压级在68 Hz、76 Hz、86 Hz、98 Hz、124 Hz由于共振产生明显峰值;而在98 Hz、124 Hz与车身壁板及车内声腔声学共振使司机室声压急剧上升。该结论可为司机室减振降噪提供参考。     

Stimulated regenerative BBU instability of a bunch train in a single linac section

Stimulated multi-bunch transverse instability caused by hybrid dipole mode is studied using single cavity model. An accurate solution for the transverse displacement is found for sequence of bunches at presence and in absence of the input of signal. Threshold currents are calculated for resonant and non-resonant instability build-up including interaction with backward wave and Lorentz’ force contribution into the transverse wakefield. Linear amplification gain below the threshold was analyzed analytically. Transition from the cavity model to the waveguide model and validity of single-mode approximation is considered. It is shown, that for resonantly stimulated BBU the increment can be higher and threshold current lower than that for spontaneous instability.     

Blast response of a lined cavity in a porous saturated soil

The paper proposes a comprehensive approach to simulate the blast response of a lined cavity in a porous soil. To calculate the soil–structure contact pressure, the coupled Godunov-variational-difference approach was developed. The lining is modeled by a Timoshenko elastic–plastic shell with kinematic linear hardening. To solve the problem in the lining domain, the variational-difference method is applied. The soil is modeled by the Lyakhov three-phase model that takes into account both bulk and shear elastic–plastic behavior, including the effect of soil pressure on the yield strength for the stress tensor deviator. The problem of blast wave propagation within the soil medium is solved by the Godunov method. The coupled approach to calculate the soil–lining contact pressure is based on the relationships on the shock and rarefaction waves with finite-difference equations of the shell motion using a simple iteration method. It allows the reduction of the contact problem to the self-similar symmetric Riemann problem. Solution of the problem of an explosion in a porous medium, and analysis of the soil–obstacle interaction under the blast action using the proposed method show good correspondence with available experimental results. Also, the plane problem of blast response of the circular cavity lined by a thin steel lining was solved. The effect of the gas volumetric content in the soil on the incident shock wave pressure as well as on the contact pressure and lining meridian strain was studied.