[논문 리뷰] Simulation of an axial vircator with a three-cavity resonator

P. V. Molchanov, Evgeny Gurnevich외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 08.

Gyrotron and Vacuum Electronics Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 축방향 가상阴극 발진기(vircator)에서 3–4 GHz에서 450 kV 이하의阴극 전압에서 5%를 초과하는 효율로 고출력 마이크로파(HPM)를 생성하기 위해 삼공동 공진기 구조를 제안한다. 이중 PIC 시뮬레이션(INPIC 및 XOOPIC)을 통해 최적화된 공진기 기하구조와 고리형阴극이 전류-장 간의 상호작용을 향상시켜 안정적인 800 MW의 피크 출력과 최대 6–7%의 효율을 달성함을 입증한다.

ABSTRACT

We simulated an axial vircator with a three-cavity resonator and expected generation efficiency 6-7 percents. For adequate description of physical processes taking place inside a vircator we used two independent PIC codes: self-developed INPIC and free XOOPIC. Based on both the analysis of the vircator proposed in [1] and consideration of the devices operating at cathode-anode voltages under 450 kV we suggest 3 possible designs of a three-cavity resonator such that enable one to produce High Power Microwave in GW power range.

연구 동기 및 목표

• 3–4 GHz 사이의 주파수에서 고효율 HPM 생성을 가능하게 하는 축방향 vircator를 위한 삼공동 공진기 설계를 목적으로 한다.
• 이전의 고전압 시스템의 한계를 해결하기 위해 450 kV 이하의阴극-안두 전압을 유지하면서도 고출력과 고효율을 확보하는 것을 목적으로 한다.
• 특히 고리형阴극을 사용함으로써 공진기 기하구조와阴극 구성의 최적화를 통해 에너지 변환 효율을 5%를 초과하도록 향상시키는 것을 목적으로 한다.
• 정확성과 강건성을 확보하기 위해 두 개의 독립된 PIC 코드(INPIC(자체 개발) 및 XOOPIC(공개 소스))를 사용하여 시뮬레이션 결과를 교차 검증하는 것을 목적으로 한다.
• 빔 에너지에서 HPM로의 전환을 최대화하는 데 기여하는 최적의 공진기 및阴극 파arameter를 단서로 삼아 단서 분석 및 파워 스펙트럼 분석을 통해 규명하는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

• 상호 검증을 위해 두 개의 독립된 입자-장(PI) 코드인 INPIC(자체 개발)과 XOOPIC(오픈소스)를 사용하여 시뮬레이션 결과를 검증한다.
• 맥스웰 방정식을 해결하고 공진기 내 전자기장의 거동을 모델링하기 위해 유한차분시간영역(FDTD) 방법을 적용한다.
• INPIC에서는 가우스의 정리에 기반한 전하 주입 방식을 적용하여, 표면 전기장에서 유도된 동적 전류 계산을 통해 빔 전류를 설정하며, 사전 설정된 값을 사용하지 않는다.
• XOOPIC에서는 고정된 전류와 에너지를 가진 전자 빔을 주입하여阴극-안두 갭의 동역학을 생략함으로써 공진기 반응에 집중적으로 분석할 수 있도록 하였다.
• 공명 주파수(4.04–4.16 GHz)와 일치시키기 위해 [1]의 자료에서 유도된 공진기 치수를 바탕으로 POISSON SUPERFISH를 사용하여 기하구조를 재구성하고 기하구조의 타당성을 검증하였다.
• 공진기 기하구조의 최적화를 위해 캐비티 길이(L1–L3), 반경(r1–r4), 파이프 길이(Lw)를 변화시키며, 효과적인 입자 에너지 커파스트 및 전기장 강화를 고려하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3–4 GHz에서 450 kV 이하의阴극 전압에서 효율이 5%를 초과하는 삼공동 공진기 설계가 HPM 생성을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 고체형 대비 고리형阴극을 사용할 경우, 삼공동 vircator의 빔 역학과 출력 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 상태 포트레이트 및 스펙트럼 분석을 통해 전자 빔에서 마이크로파장으로의 에너지 전달을 최대화하는 공진기 기하구조는 어떤 것인가?
• RQ4 INPIC 및 XOOPIC의 시뮬레이션 결과는 피크 전력과 효율 예측에서 어떻게 유사한가? 격차는 어떤 통찰을 제공하는가?
• RQ5 가상阴극 형성과 입자 에너지 분포는 HPM 생성의 효율성과 안정성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 최적화된 기하구조(설계 #3)를 가진 삼공동 공진기는 450 kV에서 3.8 GHz에서 안정적인 HPM 생성을 달성하였으며, 순간 피크 전력은 약 800 MW였다.
• 내부 반경 9.5 mm, 외부 반경 35.5 mm인 고리형阴극의 사용은 빔 에너지 변환을 크게 향상시켜 고체阴극 대비 약 20% 높은 피크 전력을 확보하였다.
• 상태 포트레이트 분석을 통해 r_b1 = 9.5 mm인 고리형阴극이 가상阴극 근처에서 입자의 진동을 최대화하였으며, 종방향 운동량 p_z/mc가 거의 0에 가까워 효율적인 에너지 전달을 나타내었다.
• 고리형阴극을 사용한 공진기 설계 #2는 450 kV에서 3.8 GHz에서 800 MW의 피크 전력을 생성하였으며, 출력 전력과 스펙트럼이 다수의 시뮬레이션 사이클에 걸쳐 안정성을 유지하였다.
• INPIC 및 XOOPIC의 시뮬레이션 결과는 전력과 주파수에서 일관된 추세를 보였으며, 제안된 공진기 기하구조의 강건성을 검증하였다.
• 본 연구는 효율적인 HPM 생성이 공진기 기하구조(효율적인 입자 에너지 필터링을 위한)와阴극 설계(최적의 빔 집중 및 가상阴극 형성)의 두 가지 요소에 의해 결정됨을 확인하였다.