同轴相对论返波管中等离子体与波互作用机理研究

Coaxial relativistic backward wave oscillator (CRBWO) is a new type of high power microwave (HPM) generator remarked by high efficiency and is in favor for the operation under the low guiding magnetic field. However, insufficient power-capacity mainly caused by the unexpected plasmas limits its further development and application. Presently, little research has been focused on the performance of the unexpected plasmas in CRBWO, and the effects of the plasmas on the power capacity of CRBWO are still unclear. Our studies aim to establish a physical model of the CRBWO in order to analyze the effects of plasma formation on the operation frequency, operation mode, output power, and pulse width theoretically and numerically. Then the main mechanism of the interaction between the plasma and the structure wave will be revealed by precise mathematical description. Basing on the analytical research, the effective approaches to depress unwanted plasma effects will be put forward, which is expected to provide a guide for the design and application of the CRBWO.

同轴相对论返波管（Coaxial relativistic backward wave oscillator，CRBWO）是一类新型高效率且适合低磁场运行的高功率微波（High Power Microwave，HPM）发生器。然而，功率容量方面的不足限制了其进一步发展和应用。非预期的等离子体形成是引起CRBWO功率容量降低的主要原因。目前，对CRBWO内部的等离子体效应并无清晰认识。本项目旨在建立CRBWO的物理模型，并通过理论和模拟研究，分析CRBWO内部不同位置等离子体形成对其工作频率、工作模式、输出功率及微波脉宽造成的影响，从而揭示CRBWO内部等离子体与波的相互作用机理。在此基础上，进一步探索并提出抑制CRBWO内部非预期等离子体效应的物理手段，以期为高功率容量CRBWO的研究设计与实际应用提供理论参考和技术支持。

同轴相对论返波管（Coaxial Relativistic Backward Wave Oscillator, CRBWO）是一种新型高效率且适合低磁场运行的高功率微波（High Power Microwave, HPM）产生器。本项目立足于当前对高功率容量低磁场HPM产生器的迫切需求，提出并设计了工作于同轴TM01模的CRBWO，器件在2.7GW输出微波功率下的最大表面场强低于600kV/cm，相对现有HPM产生器具有更低强场击穿风险；进一步，对可能限制该类型CRBWO发展应用的等离子体问题进行了系统的理论分析和数值模拟，揭示了各区域等离子体引起脉冲缩短的物理机制，其中阴极等离子体通过改变二极管阻抗或破坏束波同步条件来终止HPM产生；高频结构强场击穿等离子体通过径向扩展中断HPM产生和传输；收集极等离子体通过径向扩展截止HPM向外输出。基于对等离子体物理过程的认识，总结了一系列抑制方法，包括置换背景吸附气体、增加阴极有效发射面积、提高阴极表面势垒、提高二极管工作阻抗、提高材料表面光洁度、采用大尺寸过模结构、利用主电子束静电绝缘、优化场形结构、增加电子沉积截面、增加电子有效射程、分离收集极和HPM传输通道、采用低密度高熔点材料、采用斜入射收集极结构等。本课题突破了传统CRBWO工作于准TEM模的惯性思维，证明了工作于同轴TM01模CRBWO的可行性，同时揭示了此类器件中等离子体引起脉冲缩短的主要机理，总结归纳了可能的解决方法。该项目的研究成果不但可以为未来CRBWO的应用提供理论依据，同时也可以为其他HPM产生器的发展提供技术参考。