同軸相對論返波管中電漿與波互作用機理研究

《同軸相對論返波管中電漿與波互作用機理研究》是依託西北核技術研究院，由曹亦兵擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：同軸相對論返波管中電漿與波互作用機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：曹亦兵
• 依託單位：西北核技術研究院

項目摘要

同軸相對論返波管（Coaxial relativistic backward wave oscillator，CRBWO）是一類新型高效率且適合低磁場運行的高功率微波（High Power Microwave，HPM）發生器。然而，功率容量方面的不足限制了其進一步發展和套用。非預期的電漿形成是引起CRBWO功率容量降低的主要原因。目前，對CRBWO內部的電漿效應並無清晰認識。本項目旨在建立CRBWO的物理模型，並通過理論和模擬研究，分析CRBWO內部不同位置電漿形成對其工作頻率、工作模式、輸出功率及微波脈寬造成的影響，從而揭示CRBWO內部電漿與波的相互作用機理。在此基礎上，進一步探索並提出抑制CRBWO內部非預期電漿效應的物理手段，以期為高功率容量CRBWO的研究設計與實際套用提供理論參考和技術支持。

結題摘要

同軸相對論返波管（Coaxial Relativistic Backward Wave Oscillator, CRBWO）是一種新型高效率且適合低磁場運行的高功率微波（High Power Microwave, HPM）產生器。本項目立足於當前對高功率容量低磁場HPM產生器的迫切需求，提出並設計了工作於同軸TM01模的CRBWO，器件在2.7GW輸出微波功率下的最大表面場強低於600kV/cm，相對現有HPM產生器具有更低強場擊穿風險；進一步，對可能限制該類型CRBWO發展套用的電漿問題進行了系統的理論分析和數值模擬，揭示了各區域電漿引起脈衝縮短的物理機制，其中陰極電漿通過改變二極體阻抗或破壞束波同步條件來終止HPM產生；高頻結構強場擊穿電漿通過徑向擴展中斷HPM產生和傳輸；收集極電漿通過徑向擴展截止HPM向外輸出。基於對電漿物理過程的認識，總結了一系列抑制方法，包括置換背景吸附氣體、增加陰極有效發射面積、提高陰極表面勢壘、提高二極體工作阻抗、提高材料表面光潔度、採用大尺寸過模結構、利用主電子束靜電絕緣、最佳化場形結構、增加電子沉積截面、增加電子有效射程、分離收集極和HPM傳輸通道、採用低密度高熔點材料、採用斜入射收集極結構等。本課題突破了傳統CRBWO工作於準TEM模的慣性思維，證明了工作於同軸TM01模CRBWO的可行性，同時揭示了此類器件中電漿引起脈衝縮短的主要機理，總結歸納了可能的解決方法。該項目的研究成果不但可以為未來CRBWO的套用提供理論依據，同時也可以為其他HPM產生器的發展提供技術參考。