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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:洪士翔
研究生(外文):HUNG, SHI-XIANG
論文名稱:磁旋行波放大器之非線性及PIC模擬分析
論文名稱(外文):Nonlinear and PIC simulations for a gyrotron traveling-wave amplifier
指導教授:葉義生葉義生引用關係
指導教授(外文):YE, YI-SHENG
口試委員:張存續洪健倫
口試委員(外文):ZHANG, CUN-XUHONG, JIAN-LUN
口試日期:2021-02-25
學位類別:碩士
校院名稱:南臺科技大學
系所名稱:光電工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2021
畢業學年度:109
語文別:中文
論文頁數:52
中文關鍵詞:磁旋行波放大器散佈式損耗
外文關鍵詞:gyrotron traveling-wave amplifierdistributed wall loss
相關次數:
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磁旋行波放大器是高功率及寬頻帶的毫米波放大器,其可使輸出功率放大至kW級功率,且可自由選擇所需輸出頻率。本研究使用了非線性程式及3D-PIC模擬分析磁旋行波放大器來驗證模擬結果的正確性,根據模擬的結果,抑制衰減不需要的模式競爭。為了開發了Q-band散佈式損耗磁旋行波放大器,同時使用非線性程式與3D-PIC模擬,將模擬結果進行比對來探討磁旋行波放大器設計的正確性,透過貝色耳微分方程及操作模式最小截止頻率關係式計算出波導管半徑並得出其他參數來完成建模。為了使磁旋行波放大器達到穩定的輸出功率而進行收斂測試,在fmax =200~300GHz時,能夠明顯看到模擬結果已經開始收斂,因此最後使用fmax = 200GHz及cell per wavelength=5作為使用的網格劃分。為了抑制絕對不穩定而增加損耗,至少要將電導率降至3x103(S/m)以下。最後設計出具有散佈式結構之磁旋行波放大器,其參數如下,結構尺寸:損耗段L1= 50mm、Ir= 2mm、Or= 3mm、無損耗段L2= 10mm、r_2=2mm,電子束設定: 操作電壓Vb= 70kV、操作電流Ib= 5A、垂直與平行速度比α= 1.4、軸向速率發散度Δvz/vz= 0%、外加磁場Bo= 17kG。在輸入功率Pin= 0.01W、輸入頻率fin=44~47GHz時, 3D-PIC模擬的輸出功率有兩個最大的峰值,非線性程式的輸出功率亦呈現同樣的現象。
The gyrotron traveling-wave amplifier(gyro-TWA) is a high-power, broadband, millimetre-wave amplifier. This study uses nonlinear code and 3D-PIC simulations to analyze a Q-band gyro-TWA to verify the correctness of the simulation results. In order to develop the Q-band distributed-loss gyro-TWA, the simulated results of the nonlinear code were compared with the 3D-PIC simulation to investigate the correctness of the gyro-TWA design. The waveguide radius and other parameters are found using the Bessel’s differential equation and the minimum cut-off frequency relation. Conducting convergence test to achieves a stable output power of the gyro-TWA, the simulated results show the output power of the gyro-TWA is convergence at fmax = 200GHz and cell per wavelength=5. In order to suppress absolute instabilities, the conductivity of the wall loss in the gyro-TWA should be reduced to below 3×〖10〗^3 (S/m). Finally, the gyro-TWA with a distributed structure is designed. The parameters are as follows, structure size: loss section L1= 50 mm, Ir= 2 mm, Or= 3 mm, lossless section L2= 10 mm, r_2= 2 mm, and electron beam: beam voltage Vb= 70 kV, beam current Ib= 5 A, perpendicular to parallel velocity ratio α= 1.4, axial velocity spread Δvz/vz= 0 %, magnetic field Bo= 17 kG. The output power of the gyro-TWA using the 3D-PIC has two maximum peaks when the input power Pin= 0.01 W and input frequency fin= 44-47 GHz, and the output power of the nonlinear code also shows the same results.
摘要 iv
英文摘要 v
致謝 vi
目次 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 磁旋行波放大器 1
1.2 絕對不穩定起振條件 4
1.3 本文目的與概觀 7
第二章 研究方法 8
2.1 非線性理論 8
2.2 電磁模擬 10
第三章 Ka頻段TE01磁旋行波放大器 11
3.1 隔離管結構磁旋行波管 11
3.2 散佈式損耗磁旋行波管 16
3.3 多級散佈式損耗磁旋行波管 19
第四章 Q-band磁旋行波放大器之非線性及PIC模擬分析 24
4.1 3D-PIC模擬設定 24
4.2 3D-PIC網格劃分之收斂 33
4.3 波導管加入損耗之設定與分析 39
4.4 絕對不穩定與電導率之關係 42
4.5 磁旋行波放大器之效能 45
第五章 結果與討論 50
參考文獻 52
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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