等離子體對微波管輸出性能的影響研究.pdf

1、等離子體微波電子學是微波技術、微波電子學、氣體電子學、等離子體電子學等的交叉學科。研究在傳統(tǒng)微波器件中存在氣體或等離子體后，束、波、等離子體兩兩或三體互作用的機理，并由此研制微波器件，是近年來等離子體微波電子學發(fā)展最為迅速、最為活躍的方向之一。 本課題主要是研究等離子體對微波管的影響。研究內(nèi)容主要有以下兩個方面： 1、以相對論返波振蕩器為例，采用KARAT粒子模擬軟件，通過粒子診斷，深入研究了充等離子體相對論返波振蕩器中

2、脈沖縮短現(xiàn)象的機理。2、使用OOPIC粒子模擬軟件研究了存在殘留中性背景氣體的速調(diào)管中的離子噪聲問題。課題研究主要內(nèi)容和創(chuàng)新之處在于： 1、深入研究了充等離子體高功率微波器件中脈沖縮短現(xiàn)象的機理。以相對論返波振蕩器為例，采用KARAT粒子模擬軟件模擬了填充中性氣體對脈沖輸出的影響，分段填充中性氣體對微波脈沖輸出的影響，并比較了充入不同種類的中性氣體對微波脈沖輸出的影響。模擬結果表明： (1)以He氣為例，隨著填充中性氣體

3、密度的增加，產(chǎn)生的等離子體密度增加，當?shù)竭_一定程度時，器件就會出現(xiàn)明顯的脈沖縮短現(xiàn)象。 (2)電子注碰撞中性氣體產(chǎn)生等離子體的速率與中性氣體的核電荷數(shù)相關。填充中性氣體的核電荷數(shù)越大，在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的等離子體就越多，在相同時間內(nèi)，導致脈沖縮短現(xiàn)象所需填充的中性氣體密度就越小。 (3)等離子體填充相對論返波振蕩器的脈沖縮短現(xiàn)象主要是由于等離子體密度過高，破壞了電子束的群聚狀態(tài)，使電子束與波互作用效率降低，導致脈沖縮短。

4、 (4)在等離子體密度達到一定值時，滿足共振吸收條件，等離子體吸收微波也是脈沖縮短的原因之一。 (5)分段填充中性氣體的研究表明：在慢波結構前段，電子束還沒群聚，而在慢波結構后段，電子束與波換能已基本完成，因此對輸出功率影響不大；在慢波結構中段，電子束充分群聚，電子束與波互作用充分，高密度的等離子體的形成使得電子束群聚質(zhì)量變差，嚴重影響微波輸出。 2、研究了存在殘留中性背景氣體的速調(diào)管中的離子噪聲問題。采用OOPI

5、C粒子模擬軟件，得到了填充中性氣體速調(diào)管輸出信號的離子噪聲圖像。從理論上闡述了束電子、離子、二次電子和電磁波之間的相互作用的動力學過程。模擬結果表明： (1)離子噪聲所表現(xiàn)出來的相位波動是由電子束速度的波動引起的，電子束速度的變化來源于管子內(nèi)離子數(shù)量的變化，離子的數(shù)量變化又與電子束狀態(tài)變化相互影響，這是離子噪聲產(chǎn)生的根本原因。 (2)二次電子對離子噪聲產(chǎn)生過程的影響很小，但是其行為卻反映了離子噪聲的形成機理。 (