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探索复杂的非线性电子注-电磁波互作用机理是速调管研究中最为重要的课题之一。一维圆盘模型只考虑到粒子的轴向运动,无法模拟粒子的径向波动并且通常会过高地估计速调管的效率；二维圆环模型采用格林函数来求解电子注的空间电荷场,这种近似解析形式并不够精确；而全三维的粒子模型,基于该模型的程序如MAGIC3D,由于考虑全三维互作用结构,所以建模复杂,计算资源消耗巨大。因此,为提高速调管设计工作的效率并对器件内部注-波互作用的物理过程进行深入研究,本文提出了将时域有限差分方法、端口近似方法和粒子模拟思想相结合的2.5维粒子模型,并基于该模型开发出了速调管非线性注-波互作用程序KLY2D,该程序运行稳定高效,模拟结果准确可靠。本论文研究的主要内容与创新点简述如下:
1.建立了用于模拟速调管中复杂非线性注.波互作用过程的2.5维粒子模型。
●该模型是首次将时域有限差分方法、端口近似方法和PIC思想结合起来的时域粒子模型。大量的研究表明端口近似方法能够比较准确地模拟谐振腔对互作用系统的影响,时域有限差分方法可以准确地求解出电子注的空间电荷场,因此该模型具有高效、准确和节省计算资源等优点。
在每一个时间步中,该模型可以选择采用面积权重或体积权重将粒子电荷恰当地分配到空间网格各点上,再根据电流连续性方程将电流分配到网格各边上；同时给出了在这两种分配权重下的分配算法。
●采用时域有限差分方法求解麦克斯韦方程组以精确解出电子注在漂移管中产生的空间电荷场(即粒子的自激场)；给出了柱坐标系下有源麦克斯韦方程的时域有限差分格式；给出了柱坐标系下的卷积完全匹配层(Convolutional Perfectly Matched Layer:CPML)的差分格式。这比圆环模型中采用格林函数来求解带电粒子的空间电荷力要准确得多。
●采用端口近似等效来模拟高频谐振腔场,谐振腔场分布可以采用解析场(漂移头位置处的间隙电场分布采用双曲余弦函数近似表示)或数值场(通过Superfish或CST Microwave Studio等谐振腔模拟软件仿真求得)两种形式；提供了高频谐振腔的一般解析形式,同时,也给出了外界导入其它模拟软件计算得到的间隙场形的接口和插值模块。
●最后,采用Boris旋动格式求解洛伦兹力方程来更新粒子的速度和位置,并在柱坐标系下对粒子的速度推进作了修正,避免了粒子在近轴处推进出现的奇异情形。
●它提供了多种模拟边界,有金属边界、对称轴边界和漂移管右端的吸收边界。
2.根据上述的粒子模型编写了速调管粒子模拟程序KLY2D。KLY2D采用C++语言编写完成。C++是面向对象的编程语言,其特有的类设计也使得KLY2D具有很强的扩展性,整个程序模块清晰,很容易根据当前需要添加入新的功能模块。
3.为初步验证程序所依据的原理以及程序代码的可靠性,使用一些存在解析结果的简单问题(如无聚焦磁场时的电子束流扩散、布里渊束流和小信号理论对电子群聚的分析)对程序的计算结果进行了比较验证,这是KLY2D能准确模拟速调管中非线性注-波互作用的前提。
4.给出了对两个具体速调管实例的计算结果,并进行了相关讨论。计算结果与实测数据吻合得很好,程序稳定可靠。