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基于速调管2.5维粒子模型的非线性注波互作用的研究

高冬平 丁耀根 刘濮鲲 杜朝海 赵鼎

高冬平, 丁耀根, 刘濮鲲, 杜朝海, 赵鼎. 基于速调管2.5维粒子模型的非线性注波互作用的研究[J]. 电子与信息学报, 2010, 32(10): 2490-2495. doi: 10.3724/SP.J.1146.2009.01390
引用本文: 高冬平, 丁耀根, 刘濮鲲, 杜朝海, 赵鼎. 基于速调管2.5维粒子模型的非线性注波互作用的研究[J]. 电子与信息学报, 2010, 32(10): 2490-2495. doi: 10.3724/SP.J.1146.2009.01390
Gao Dong-Ping, Ding Yao-Gen, Liu Pu-Kun, Du Chao-Hai, Zhao Ding. The Nonlinear Beam-wave Interaction of High Power Klystrons Based on a 2.5-Dimensional Particle-in-cell Model[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2010, 32(10): 2490-2495. doi: 10.3724/SP.J.1146.2009.01390
Citation: Gao Dong-Ping, Ding Yao-Gen, Liu Pu-Kun, Du Chao-Hai, Zhao Ding. The Nonlinear Beam-wave Interaction of High Power Klystrons Based on a 2.5-Dimensional Particle-in-cell Model[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2010, 32(10): 2490-2495. doi: 10.3724/SP.J.1146.2009.01390

基于速调管2.5维粒子模型的非线性注波互作用的研究

doi: 10.3724/SP.J.1146.2009.01390
基金项目: 

国家自然科学基金(60801031)和中国科学院知识创新项目资助课题

The Nonlinear Beam-wave Interaction of High Power Klystrons Based on a 2.5-Dimensional Particle-in-cell Model

  • 摘要: 该文采用恰当的近似提出了速调管专用的2.5D粒子模型,并基于该模型研究速调管中复杂的非线性注波互作用过程。该模型采用粒子模拟的思想将电荷和电流恰当地分配到空间网格上,采用时域有限差分方法(FDTD)求解麦克斯韦方程组以精确解出电子注的空间电荷场,采用端口近似方法模拟高频谐振腔场对电子注的影响,最后基于洛伦兹力方程求解电磁场对粒子的推动作用。该模型首次将FDTD和端口近似方法结合起来,能够比传统的1维非线性模型更加精确地模拟互作用的物理过程,同时又比全3维模拟方法节约计算资源。基于该物理模型编制了国内首个速调管2.5D粒子模拟程序KLY2D,并仿真了一支S波段50 MW高峰值功率速调管。理论计算与实验结果一致,说明了物理模型和程序的可靠性,这对推动高功率速调管的设计和发展具有重要的推动作用。
  • Shintake T. Klystron simulation and design using the Field Charge Interaction (FCI) code[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1995, Section A(363): 83-89.[2]赵鼎. 速调管非线性注波互作用程序的研究[D]. [博士论文], 中国科学院电子学研究所,2007.[3]Zhao D. Research on nonlinear beam-wave interaction program for klystrons[D]. [Ph.D.dissertation], Institute of Electronics, Chinese Academic of Sciences, 2007.[4]Chernyavskiy I A, Cooke S J, and Vlasov A N, et al.. Parallel simulation of independent beam-tunnels in multiple-beam klystrons using TESLA[J].IEEE Transactions on Plasma Science.2008, 36(3):670-681[5]Goplen B, Ludeking L, and Smithe D, et al.. User-configurable MAGIC for electromagnetic PIC calculations[J].Computer Physics Communications.1995, 87(1-2):54-86[6]邹峰, 薛谦忠, 刘濮鲲. 大回旋电子注双磁会切电子枪的数值模拟[J].电子与信息学报.2008, 30(9):2276-2278浏览Zou F, Xue Q Z, and Liu P K. Numerical simulation of large orbit gyrotron electron beam double CUSP gun[J].Journal of Electronics Information Technology.2008, 30(9):2276-2278[7]Verboncoeur J P, Landon A B, and Glad N T. An object-oriented electromagnetic PIC code[J]. Computer Physics Communications, 1995, (87): 199-211.[8]Huang Z Y and Pan G W. Universally applicable uniaxial perfect matched layer formulation for explicit and implicit finite difference time domain algorithms[J].IEEE Transaction on Microwaves, Antennas Propagation.2008, 2(7):668-676[9]Wu D G, Chen J, and Liu C R. An efficient FDTD method for axially symmetric LWD environments[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing.2008, 46(6):1652-1656[10]丁耀根. 大功率速调管的理论与计算模拟[M]. 北京:国防工业出版社, 2008: 33-43.Ding Y G. Theory and Computer Simulation of High Power Klystron[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2008: 33-43.[11]Birdsall C K and Langdon A B. Plasma Physics Via Computer Simulation[M]. Bristol: Adam Hilger, 1991: 58-63.
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出版历程
  • 收稿日期:  2009-10-26
  • 修回日期:  2010-03-05
  • 刊出日期:  2010-10-19

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