發(fā)布時(shí)間：2018-02-11 09:13

  本文關(guān)鍵詞： 磁絕緣線振蕩器 重頻運(yùn)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(xué)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(yīng)用前景的緊湊化、輕量化高功率微波源之一。為了進(jìn)一步提高M(jìn)ILO的輸出微波能量,本論文開展了MILO重復(fù)頻率運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究。在已有的研究結(jié)果基礎(chǔ)之上,從MILO器件的基本工作原理出發(fā),重點(diǎn)研究制約MILO器件重復(fù)頻率運(yùn)行性能的兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)問題,即模式控制技術(shù)及重頻徑向發(fā)射強(qiáng)流陰極技術(shù)。根據(jù)MILO器件的工作特點(diǎn)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(jié)構(gòu)用于抑制非對稱模式起振。運(yùn)用解析方法推導(dǎo)了這種慢波結(jié)構(gòu)的高頻場分布,從理論上證明了所提出的模式控制結(jié)構(gòu)的可行性。運(yùn)用粒子模擬和實(shí)驗(yàn)研究的手段對所提出的模式控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證,提出了非對稱模抑制型MILO(HD-MILO)。以美國空軍實(shí)驗(yàn)室負(fù)載限制型MILO為原形,設(shè)計(jì)了一套S波段HD-MILO器件并開展了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明采用模式控制結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)室已有L波段MILO器件開展了模式控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)陰極作為HD-MILO器件重復(fù)頻率運(yùn)行的陰極并開展了粒子模擬及發(fā)射性能實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：金屬陣列陰極發(fā)射電流強(qiáng)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(gè)量級以上。金屬陣列陰極HD-MILO在進(jìn)行了超過400個(gè)脈沖的單次運(yùn)行實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)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(fù)頻率運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)研究。該器件在5Hz/1s、10Hz/1s、20Hz/1s以及20 Hz/2 s等不同重復(fù)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(jié)果表明器件可以在20 Hz重頻條件下長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。2000余個(gè)脈沖的重頻運(yùn)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(jié)構(gòu)的金屬陣列陰極MILO器件實(shí)驗(yàn),結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了模式控制技術(shù)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(jié)果表明,收集極等離子體會(huì)導(dǎo)致器件出現(xiàn)過絕緣現(xiàn)象,使得器件功率轉(zhuǎn)換效率降低。通過引入階梯陰極結(jié)構(gòu)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(shí)相當(dāng)?shù)妮敵鑫⒉ㄖ笜?biāo)。在此基礎(chǔ)上加工了階梯結(jié)構(gòu)的金屬陣列陰極,重頻實(shí)驗(yàn)4000個(gè)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(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN752

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本文編號：1502704