回旋管的等离子体粒子模拟程序及其应用

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回旋管的研究和发展,是上世纪五十年代末以后微波电子学中的一个重大突破,在受控热核聚变等离子体的回旋加热(ECRH)、电子高能RF加速、雷达系统、通信系统以及定向能武器(DEW)等方面有着广阔的应用前景。在电子回旋脉塞器件中,电子与电磁波相互作用,引起电子的相位群聚,形成绕磁力线转动的电子团群聚中心,电子团产生回旋共振微波辐射。近年来,国外研究机构不断的开展对高功率、高频率、高效率的回旋管的研究,取得了巨大的成就。  回旋管从上世纪七十年代中后期至现在一直得到蓬勃发展。美国,俄罗斯,德国,法国,瑞士,英国及日本等国投入了大量的人力物力进行研究。中国自上世纪七十年代末开始也一直在进行跟踪研究。目前,国际上回旋管研究得到了很大的发展,已形成一个回旋管系列。近年来,对TE模式的电子回旋谐振受激发mn射不论在理论,实验还是计算机模拟都已作了较多的分析,并取得了相当的进展。与传统回旋管相比,ECRM由于其波频率有一大的相对论多普勒上移,因而在相同的工作频率下,可以数倍地降低所需磁场强度。与自由电子激光相比,在相同的工作电压下,ECRM的工作频率可以更高。由于ECRM兼有回旋管的效率高和自由电子激光频率,增益高的双重优点,在100-500GHz的频率范围内,可达百兆瓦级的输出功率及超过20%的效率。  等离子体粒子模拟方法是计算物理领域中的一种重要方法,它对于研究线性和非线性物理过程的物理机制具有特别明显的优越性。尤其在研究一些暂态过程时提供了一种强有力的工具。在微波电子管(特别是回旋管和虚阴极微波发生器)中电子与波相互作用的研究中得到了很好的应用。本文发展了针对轴对称系统TE模式的等离子体粒子模拟程序。并分别以工作模式为TE,工作频率为40GHz的放大管为例,对理论上提出的关于轴对TE模式的回旋管进行计算机模拟,得到了场分布,速度群聚图等相关数据,并观察到粒子速度反转的新现象,证实理论上的一些结论。mn TE,95GHz的回旋管22及工作模式为62称系统的mn  同时利用自编的TE模式的等离子体粒子模拟程序,模拟出电子的群聚轨迹mn图,速度分布图,以及场分布等。通过一系列的分析计算,得出了一系列的图形,通过对这些图形的分析,能够证实一些理论依据,这将对我们以后在回旋管的制管工作中有着相当重要的指导作用。
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