4-81 C波段磁绝缘线振荡器的初步研究

范植开 董志伟 于爱民 姜幼明 谭 杰

　　磁绝缘线振荡器(MILO)是GW级的低阻抗正交场器件，它的主要优点在于不需要外加磁场，其直流磁场是由管子的内部电流提供的。MILO产生的直流磁场阻止电子从阴极发射到阴极慢波结构叶片上，这种自绝缘机制杜绝了阴阳极的电子击穿，允许较高的外加电压和较高的输入电功率。美国和英国的有关实验室多年来一直致力于MILO的研究，使MILO的功率效率由当初的1%提高到了现在的10%~15%，L波段最大输出功率达2GW，脉宽近300ns，单脉冲能量达600J，能量效率最大可达7%，单脉冲比能（specific energy/pulse）位于GW级高功率微波（P>500MW，E>100J）器件的首位。

　　理论分析与数值模拟表明，MILO的特性有：MILO的工作频率几乎与工作电压、工作电流无关，仅由MILO的几何结构决定。频率主要由慢波结构叶片的间距和腔内半径决定，几乎与阴极半径无关，频率随空间尺寸的减小而增大。MILO的输出功率与输入电压及空间结构参数（包括阴极半径、阴极长度、叶片间距、叶片深度、阳极半径、同轴输出腔内外半径及其轴向位置）有关。

　　400kV，60kA的条件下，对C波段MILO进行了数值计算与优化设计，确定了MILO的结构和尺寸，完成了MILO的结构设计与机械加工。利用该装置在400kV、60kA功率调节装置上进行了初步实验研究。实验时，功率调节系统丝开关的丝根数为96根，丝长为480mm，电容器的充电电压为64kV。典型的实验结果见表1。实验波形见图1，图中曲线2为测得的MILO二极管上电压脉冲波形，曲线1为测得的MILO输出微波与3.8GHz的本振信号的差频信号，曲线3为测得的MILO输出微波的检波包络，曲线4为测得的MILO二极管上电流脉冲波形。

表 1 C波段MILO的实验结果

　　国外对MILO的研究均是L波段MILO。对C波段MILO进行了理论分析、数值模拟及实验研究，产生了4.28GHz，33ns，390MW的高功率微波，证实了将MILO的工作频率由L波段提高到C波段是可行的。通过改善功率调节装置的输出电压波形，通过数值模拟和实验手段进一步优化C波段MILO的结构及结构尺寸，可实现功率调节装置和MILO器件的阻抗匹配，可增大二极管电流实现电子的自磁绝缘，可抑制模式竞争，提高输出微波功率，直至在C波段输出1GW微波。