速调管粒子模拟程序KLY2D的研究与验证.pdfVIP

速调管粒子模拟程序KLY2D的研究与验证率 2 高冬平k2丁耀根1刘濮鲲1赵鼎1全亚民1’2黄传录1’2谢兴娟k 1)(中国科学院电子学研究所，中国科学院高功率微波源与技术重点实验室，北京100190) 2)(中国科学院研究生院，北京100039) 摘要：本文基于速调管的注波豆作用的物理机制，采用FDTD方法求解麦克斯韦方程组获得准确的电子 注空间电猪场，采用等效电路模型来模拟高频谐振腔的影响。基于该模型开发出了2．5维粒子模拟程序， KLY2D。采瘸KLY2D对中国科学院电子学研究所研制酶一支S波段高峰值功率速调管进行了分析计算。 计算结果与实验数据较好的一致性说明了理论模型和程序的可靠性。 关键词：速调管，2．5维，FDTD，粒子模拟，宏粒予 1．引言 本文重点介绥我销撮据逮谲管酶注波互作雳酶物理枧裁瓤开发篷的2。5维粒子模拟摆痔KLY2D。 时间步中，它可以选择采用面积权重和体积权重两种方式来将粒子电荷密度和电流密度分配到各网格 土，为求解粒子闻瀚窆阌电荷场馋准备，采震Boris旋动格式来更薪粒子的速度和位置，并在柱坐标系 下专门对粒子的速度作了修正。C++语言特有的类的设计使得KLY2D具有很强的扩展性，它提供了多 种模拟边界，包括金属边赛、对称轴边界秘漂移管右端豹吸收边界。可以需要很方便地弓}入薪的边界露 不用修改原有的代码逻辑。KLY2D模拟结果与实际管型实验数据结果对比表明程序具有高度的可靠性。 图1粒子推进流程 2．粒子注的空间电荷场 粒子模拟程序KLY2D的推进流程如圈l所汞：首先簌右下蹩豹方框开始，将电荷、电流分别加权 分配于各网格点和网格各边，然后利用FDTD算法来求解完整的麦克斯韦方程组，从而得到各个网格 点的电场与磁场，再Ell求得的电磁场得到作用于宏粒子上的力，求解洛伦兹力方程，得到宏粒子新的速 度与位置，接下来应溺粒子在边界上的发射、吸收条件(某个边界作为粒子发射两使用，某个边界作为 吸收边界使用，这些都可以在输入文件中定义)。同时，如果漂移管中真空度不够高，有一定的背景气 体存在，就孵以采用蒙特卡罗磁撞模鍪来修歪粒子熊速度秘产生新酶粒子，然后褥将电蔫与电流重薪分 霸己于各网格点和网格备边，如此反复循环即可，这样有助于分析速调管出现漏气时高能电子与等离子体 468 气体籀亘作用麓物瑗过程。粒子注在漂移篱空耀所产生的电磁场即空焖电荷场，程序中采用时域有艰差 分方法Ⅲ求解Maxwell旋度方程(如式(1)所示)来获褥空阀电荷场随时阚的演纯。整个求解过程是在圆柱 形漂移管中进行的，忽略了具体谐振腔的形状，仅仅是一个漂移管模型，高频谐振腔对粒予注的影响将 在瑟瑟讨论。 陋十∥警=。 ㈣ }弧弧警=7 式(1)ee e游奔囊奔毫鬻数，／l势磁导系数，量为电场强度，露为磁场强度，歹必毫流密度。柱坐标系 下的径向网格步长为Ar，轴向网格步长为△z，时间步长＆必须满足Courantt21稳定性条件， 走}《。…。! ～ 气zp翰 矗}茎——黼==：： 篇=拳 f 1 1 。、『函矿+丽酽 程枣孛拉～般取荛l巍界篷熬0。8倍帮可。 3．高频谐振腔场 速调管豹高频谐振蕴采臻端鏊近似(Port-Approximation)米处理，麴烫2掰豢 [刁一一竺～ ～…——对袜辖～…一 实际的谐摊艘 端口近似 醚2‘萼囊舀避钕”嚣示意醒 糟已知谐振腔某模式(本程序中暂时先考虑TMo,o横)下的电磁场分布彤式，如电场分布函数为六(，．，z) 和f(r，z)，磁场分布函数为厶(以z)，实际的