回旋管的等离子体粒子模拟程序及其应用

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1、第一章绪论第一章绪论1.1高功率微波器件的发展和现状高功率微波是上世纪七十年代兴起的一门边缘交叉学科。在高功率微波武器，大功率干扰设备和可控热核反应研究等对更高功率，更高能量，更高频率源的强烈需求推动下，这门学科在国际上得到高度重视和迅速发展，成为研究前沿和热点。高功率器件的功率在短短20年间提高了三个数量级。现有高功率微波器件的性能正在不断成熟与完善，新的高功率微波器件还在不断产生。国际上通常的说法是“高功率微波”表示峰值功率可以超过100兆瓦，频率在1～300GHz之间，包括厘米波，毫米波及亚毫米波范围，由人工产生的电磁波。这个定义

2、是认为的，它并没有说明微波的平均功率和每个脉冲所包含的能量。但它可将功率不超过100兆瓦的普通微波器件与峰值功率可达到吉瓦级的一大批高功率微波源区分开来。高功率微波是多学科发展结合的产物，而不只是微波电子学的简单延续。自第二次世界大战前夕出现速调管，以后相继发明了磁控管，行波管和返波管，形成了普通微波管系列。随后的30年间，普通微波管得到飞速发展。这些发展成就的度量标准是微波峰值功率和信号频率平方乘积的性能因子PF2，这个因子的物理意义是：从固定尺寸天线发展的微波信号在目标上的功率密度正比与PF2。从1940年起的30年间，普通微波管的

3、PF2提高了三个数量级，但随后的进展却很小。由于种种条件，特别是其自身机理的限制，继续提高微波管的功率和工作频率遇到了很大的困难。人们不得不努力寻求解决问题的新途径和新机理。随后，国际科学技术在很多方面取得了巨大的进展，为高功率微波技术的形成与发展奠定了坚实的基础。这些进展包括脉冲功率技术，强流束物理与等离子体科学的成就。脉冲功率技术的发展，导致电流超过10kA，电压1MV甚至更高相对论电子束的产生及强流束物理的发展，为高功率微波的发展提供了强有力的手段。高压强流束的条件将微波管推向新的发展方向，促进了高功率相对论微波管系列（如相对论速

4、调管，相对论磁控管，相对论行波管和相对论返波管等）的出现。等离子体物理的基础研究，使对波与粒子相互作用有了更深入的认识，这为高功率微波的发1电子科技大学硕士学位论文展提供了新的思路。脉冲功率技术，强流束物理，等离子体物理与微波电子学的结合导致众多相对论高功率微波器件的诞生。这些器件包括前面提及的相对论普通微波管，也包括专门以相对论效应为基础的全新机理的回旋管（Gyrotron）和微波波段的自由电子激光（FEL），多波切伦柯夫发生器（MWCG），相对论衍射发生器（RDG），虚阴极振荡器（Vircator）和等离子体填充器件等一大批高功率微

5、波器件。为满足应用要求和开拓新的潜在应用领域，高功率微波器件正在飞速发展。发展重点是提高器件功率，能量并达到更宽的频段。峰值功率始终是高功率微波的一个重要参数。各种高功率微波源的峰值功率都在不断提高。目前相对论速调管的峰值功率达到10～17吉瓦以上，多波切伦柯夫发生器达到15～30吉瓦。这样功率量级的高功率微波已为它的军事应用，包括高功率微波武器的发展研究，开辟了广阔的前景。到目前为止，具有最高性能因子的器件是相对论衍射发生器，在频率46GHz下，辐射功率为3.5吉瓦。在10GHz以上，功率大致随l2下降。在10GHz以下的频段，没有这

6、种明显的倾向。目前，大多数高功率微波都在单次脉冲状态下运行。重复脉冲状态下工作的源尚需做很多工作。这主要依赖脉冲功率技术的进展。对高功率微波的应用，重复频率脉冲工作状态是至关重要的。在重复脉冲状态运行中，器件的效率，平均功率，每个脉冲包含的微波能量均是高功率微波的重要参量。器件的效率习惯上是指峰值瞬时功率效率。其定义为峰值微波功率对同一瞬间电子束脉冲能量的比值所定义的能量效率。目前大多数高功率微波源的功率效率只能达到10％左右，在某些条件下，少数源最高达到40％～50％。至于能量效率，一般是很低的。在重复频率脉冲工作状态下，高功率微波源

7、的平均功率，除回旋管外都是不高的，平均功率水平目前只能达到10千瓦（由吉瓦相对论磁控管产生）。要提高平均功率，可通过提高峰值功率与占空比（脉冲宽度与脉冲重复频率的乘积）来达到。高功率微波源的占空比一般是10-6~10-5量级。而回旋管不同，它不仅在毫米波段能很好地工作，而且连续波功率可达数百千瓦，在长脉冲（脉宽到秒级）准连续波情况下，功率可达1兆瓦左右。在每个脉冲所包含地微波能量方面，普通微波管一般可达1焦耳左右，美国斯坦福直线加速器（SLAC）的速调管已发展到235焦耳。高功率微波源（回旋管除外）每个脉冲的能量在20世纪70年代达数焦

8、耳，80年代达数百焦耳，90年代预计可超过1000J。尽管高功率微波源发展很快，但实用化问题才刚刚开始，高功率微波源的性能指标还有待提高。许多问题，如可靠性与寿命问题，带宽，增益，线性，相位与幅值的稳定性与