多电子束发射相对论返波管的三维数值模拟

陈再高，王 癑

（1.西北核技术研究所，西安710024；2.西安交通大学 电子与信息工程学院，西安710049）

多电子束发射相对论返波管的三维数值模拟

陈再高1，2，王 癑1

（1.西北核技术研究所，西安710024；2.西安交通大学 电子与信息工程学院，西安710049）

在X波段相对论返波管中引入多电子束发射阴极，采用三维共形全电磁PIC粒子模拟软件对返波管进行了模拟。结果表明：多电子束发射阴极的面积为环形阴极面积的20%，产生的电流与环形阴极相同；采用多电子束发射阴极的相对论返波管能稳定地输出功率。与采用环形阴极的相对论返波管相比，由于多电子束发射阴极所产生的电子束与电磁波的相互作用降低，器件的输出功率下降11%，达到稳定输出功率的时间延迟5 ns。

高功率微波；相对论返波管；三维共形全电磁PIC模拟；多电子束发射阴极

在对多个相对论返波管进行功率合成时，相对论返波管输出功率的同步性及相位的一致性对功率合成的效果有较大影响，多电子束发射阴极能很好地保证阴极电子发射的同步性，有效提高器件的工作时长及重复频率工作的稳定性。由于多电子束发射阴极的引入使器件变成非轴对称结构，无法采用2.5维粒子模拟软件对器件进行数值模拟研究，因此，本文采用三维共形全电磁PIC粒子模拟软件对均匀爆炸电子发射的X波段相对论返波管及多电子束发射阴极的X波段相对论返波管进行了数值模拟研究［6- 9］。

1 均匀爆炸电子发射时X波段相对论返波管数值模拟

当整个阴极发射面均采用爆炸电子发射时，采用三维共形全电磁PIC粒子模拟软件对相对论返波管器件结构进行了模拟，器件的三维模型如图1所示，模拟结果如图2－图6所示。其中，图2为二极管电压随时间的变化，当注入波电压稳定后，二极管阴阳极之间的电压为940 k V。图3为阴极面发射的电流随时间的变化，稳定后的电流为16.3 k A。图4为器件的输出功率，可以看出，器件的平均输出功率达4.74 GW。图5为器件功率输出端口处电场随时间的变化。图6为电场频谱分布图，器件的工作频率为9.89 GHz。

图1 相对论返波管的三维模型Fig.1 3D sketch map of RBWO

图2 高压二极管电压随时间的变化Fig.2 Diode voltage vs.time

图3 爆炸发射的电流随时间的变化Fig.3 Emitted current vs.time

图4 输出功率随时间的变化Fig.4 Output power vs.time

图5 输出端口处电场随时间的变化Fig.5 Electrical field strength vs.time at output port

图6 输出端口处电场的频谱分布图Fig.6 Spectrum of electrical field at output port

2 多电子束发射X波段相对论返波管数值模拟

对多电子束发射阴极的相对论返波管模拟时，慢波结构、注入波参数、输出端口参数均与第1节中所模拟的相对论返波管的参数相同，不同之处为将环状阴极面设计成多电子束发射阴极面，如图7所示。多电子束发射阴极中，小阴极发射面为36个，均匀分布在整个阴极支撑杆上，每一个小阴极面所对应的角度为2°，间隔为8°，沿着轴线方向开槽的长度为5 mm，数值模拟结果如图8－图13所示。其中，图8为高压二极管电压随时间的变化。图9为器件的发射电流随时间的变化，电压和电流的幅值分别为920 k V和16.9 k A，与图2和图3相比，二极管电压降低，电流升高。图10为器件的输出功率随时间的变化，可以看出，器件的平均输出功率达4.23 GW，较环形阴极面的相对论返波管输出功率下降了11%。图11和图12分别为器件输出端口的电场随时间的变化及频谱分布图，频谱分布与环形阴极面情况下相比变化不大，工作频率为9.88 GHz。图13为输出功率稳定后电子的实空间图，可以看出电子束被分割为36条。

图7 多电子束发射阴极示意图Fig.7 3D sketch map of multi-beam emitter

图8 多电子束发射时高压二极管电压随时间的变化Fig.8 Diode voltage vs.time for multi-beam emitter

图9 多电子束发射时爆炸发射的电流随时间的变化Fig.9 Emitted current vs.time for multi-beam emitter

图10 多电子束发射时输出功率随时间的变化Fig.10 Output power vs.time for multi-beam emitter

图11 多电子束发射时输出端口处电场随时间的变化Fig.11 Electrical field strength vs.time at output port for multi-beam emitter

图12 多电子束发射时输出端口处电场的频谱分布Fig.12 Spectrum of electrical field at output port for multi-beam emitter

图13 多电子束发射阴极相对论返波管的电子实空间图Fig.13 Real space of electron in RBWO with multi-beam emitter

采用多电子束发射阴极时，电子的发射面积仅为环形阴极电子发射面积的20%；当器件稳定输出功率时，多电子束发射阴极所产生的电流比采用环形阴极增加3.7%，见图3和图9。这主要是因为采用多电子束阴极时，每一个小阴极发射面的边缘产生了电场增强效应，导致所发射的电流密度增加；另外，二极管阴阳极之间的电压与采用环形阴极时相比仅降低2.1%，因此，器件能够正常起振，工作频率略有下降。由于多电子束发射阴极面所发射出来的电子束与慢波结构中结构波的相互作用面积变小，电子束与结构波的互作用被削弱，同时，电子束的密度较高，在相同外加引导磁场下，电子束的群聚受到影响，因此，器件的输出功率有所下降。三维数值模拟结果表明：采用多电子束发射阴极时，器件的工作模式仍然为轴对称的TM01模，没有因为电子束发射角向不均匀的引入而产生高次模。

3结论

采用三维共形粒子模拟软件对环形阴极面的相对论返波管及多电子束发射阴极面的相对论返波管进行了模拟研究，结果表明与采用环形阴极面的相对论返波管相比，采用多电子束发射阴极时，器件仍然能够正常起振，达到稳定输出功率的时间延迟5 ns，输出功率下降了11%。下一步将开展数值模拟研究，探索提高多电子束发射阴极相对论返波管的输出功率及缩短起振时间的方法。

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Three-Dimensional Numerical Simulation of Relativistic Backward Wave Oscillator with Multi-Beam Emitters

CHEN Zai-gao1，2，WANG Yue1
（1.Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，China；2.School of Electronic and Information Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China）

A multi-beam emitter was used in an X-band RBWO，and was simulated with a self-developed three-dimensional conformal particle-in-cell code.The simulation results show that the multi-beam emitter has an area only 20%of the annular emitter，but can almost emit the same-sized current，as a result，the RBWO with multi-beam emitter can also have a steady output power.In contrast with the RBWO with annular emitter face，the output power of the RBWO with multi-beam emitter reduces by 11%due to the decrease in beam-wave interaction，and the time to reach steady output power increases by 5 ns.

high power microwave；relativistic backward wave oscillator；three-dimensional conformal particle-in-cell simulation；multi-beam emitter

TN811

A

2095- 6223（2015）02- 102- 05

2015- 03- 27；

2015- 04- 15

国家自然科学基金资助项目（61231003）

陈再高（1983－），男，湖北天门人，助理研究员，博士研究生，主要从事瞬态电磁场理论及数值模拟研究。

E-mail：chenzaigao＠nint.ac.cn表明：速调管与相对论返波管的混合结构能提高器件的输出功率［2］，速调型相对论返波管在慢波结构的前端加入速度调制腔，可对入射电子的速度进行预调制；同时，在慢波结构末端加入功率提取腔，能进一步促进强流相对论电子束与微波场之间的能量交换，大幅提高器件的输出功率。采用遗传算法与全电磁PIC粒子模拟算法相结合，能对非均匀慢波结构相对论返波管进行优化设计，调节结构波的相速度，使电子束能更好地与电磁波进行能量交换，从而提高器件的输出功率［3 4］。随着相对论返波管输出功率的提高，器件内部发生击穿而引发脉冲缩短现象的可能性不断增加，采用功率合成的方法能有效产生更高的输出功率［5］，减少单管的输出功率水平，提高相对论返波管的稳定性。

高功率微波在粒子加速器、等离子体加热、功率传输、高功率雷达等方面有很大的应用潜力［1］。相对论返波管是最有潜力的高功率微波源之一，它利用慢波结构中的结构波与环形相对论电子束相互作用，产生自身振荡与放大，形成相干高功率微波辐射，具有输出功率高、互作用效率高、频段较窄等特点。一直以来，高峰值功率、长脉冲、重复频率及低引导磁场是高功率相对论返波管的研究热点。输出功率是高功率微波器件的重要设计指标之一，研究人员为提高器件的输出功率做了大量的工作。研究