Cancer is a significant disease that often results in severe side effects from traditional treatments. Microwave hyperthermia has emerged as a minimally invasive, highly effective, and low-toxicity treatment option that has gained widespread use in recent years. The primary objective of this study is to develop and assess a miniaturized slit patch antenna designed to operate at 2450 MHz for hyperthermia therapy. The octagonal antenna patch features four symmetrical slots to reduce its size, enhance directional radiation, and improve focusing and penetration depth. Additionally, a metal cavity is incorporated at the top of the antenna to create a gap between the antenna and the skin, allowing for skin heat dissipation, improved impedance matching, reduced outgoing radiation, and enhanced directional radiation. The performance of the antenna is assessed based on specific absorption rate (SAR), penetration depth (PD), and effective field size (EFS). Subsequently, the antenna is fabricated and tested in pork tissue, with the measured results demonstrating good agreement with the simulated outcomes.
在过去的十余年中,清华大学加速器实验室致力于X波段同轴磁控管的研发.自2012年成功研制出X波段1.5 MW同轴磁控管(XM-2012)以来,坚持在物理设计、加工工艺和老炼测试等环节进行深入研究,在原有基础上迭代优化出MGT3、MGT4等型号的同轴磁控管,最新样管峰值功率达到1.7 MW以上,与新研发的X波段加速管集成,研制出高稳定性紧凑型加速器系统,剂量率达到800 cGy/min(1 m)以上,达到与S波段加速器系统同等水平;同时对磁控管锁相理论和功率合成进行了大量研究,并在此基础上发展出平行阴极磁控管,将X波段磁控管的输出功率提升到S波段磁控管水平,为进一步拓展X波段高功率磁控管的应用打下了坚实的基础.
激光触发真空开关具有优异的工作性能,在脉冲功率系统具有很好的应用前景.本文以300 kV为设计指标,对激光触发多级真空开关进行结构设计与优化.首先进行激光触发间隙的结构设计,靶材由KCl和Ti混合制成,采用铜铬合金纵磁电极;其次进行自击穿间隙的结构设计,自击穿间隙采用平板不锈钢电极,结合不同圆角半径下的电场仿真结果,确定电极外侧圆角半径为5 mm,内侧圆角半径为3.5 mm;通过对绝缘支柱闪络机理的分析,使用带伞裙的圆柱形尼龙绝缘支柱并采用电极嵌入绝缘支柱降低三交界面电场;最后根据开关的欠压比、过压倍数和稳定性,确定自击穿间隙采用三个3.7 mm长的真空短间隙,各间隙承担电压为180、40、40、40 kV.
毫米波行波管具有大功率、宽频带、高效率等特点,在雷达、高速通信、电子对抗等现代电子装备中广泛应用.本文基于Ansys软件对W波段行波管进行热特性仿真,分析工作脉宽对行波管温度的影响.随着工作脉宽的增加,行波管温度升高,在占空比35％下,脉宽0.1、1和3 s的行波管温度分别达到了连续波行波管温度的56.8％,80.7％和87.2％.提高占空比至70％,脉宽0.1和1 s的行波管温度已达到连续波行波管温度的84％和96％,接近于连续波工作状态的行波管温度.通过分析不同脉宽的行波管温度差异,为长脉宽W波段行波管热可靠性设计奠定技术基础.
阴极斑点是真空电弧等离子体的重要源头,而真空电弧阴极斑点烧蚀形貌形成的过程是对阴极斑点特性展开研究的基础,对于提高真空电弧相关设备的性能及寿命有重要的理论指导意义.为对真空电弧阴极斑点烧蚀形貌形成的过程进行系统性的回顾,本文从实验与仿真两方面的研究现状进行了综述分析.论文总结分析了国内外对阴极斑点微观行为的实验研究,从建模仿真的角度综述了阴极斑点理论模型的发展历程,进一步对阴极斑点烧蚀形貌二维与三维模型的主要仿真结果总结分析.通过仿真与实验结果对比,讨论了现有真空电弧阴极斑点烧蚀形貌形成过程的实验与仿真研究存在的不足,并对其进一步展开研究进行了展望.
随着直流电网的不断发展,对直流开断技术的要求进一步提高.相较于传统的气体电弧直流开断,真空电弧直流开断具有电寿命高、燃弧空间封闭、介质恢复速度快等特点,但是传统真空电弧电压低,需要通过横向磁场的作用,提升电弧电压完成直流真空电弧的开断.本文通过实验研究了横向磁场作用下不同触头侧部燃弧空间(即触头侧部边缘与真空灭弧室屏蔽罩之间的空间)与开断电流时的开断特性,获得了触头侧部燃弧空间宽度11～41 mm范围内对直流真空开断特性的影响规律.
随着真空灭弧室电压等级的提升,其内部屏蔽罩间隙的尺寸增加将产生击穿面积效应,这将成为制约真空灭弧室绝缘性能的关键因素之一.本文研究了真空屏蔽罩间隙在不同间距条件下雷电冲击击穿特性的面积效应,实验中采用了三种直径的典型屏蔽罩结构,直径分别为40、60和80 mm,电极材料为不锈钢.结果表明,在恒定间距条件下,随着有效面积的增加,真空屏蔽罩间隙的绝缘强度呈下降趋势,并且下降速度逐渐增大.当间距增大时,一方面任意有效面积下屏蔽罩间隙的击穿电压显著提升;另一方面,由于有效面积的增大对击穿电压的削弱作用逐渐降低.本文的研究结果不仅可以指导真空灭弧室内部屏蔽罩间隙的绝缘设计,也可以为具有不同电极结构真空间隙的绝缘评估提供理论依据.
微波功率模块(MPM)是电真空发射机的发展方向之一.收发型MPM是集发射和接收功能于一体的新型MPM,收发型MPM尤为适合宽带电子战及小型化平台应用需求.与传统收发模式发射机相比,收发型MPM在高效率、相对高功率、宽带特性、性价比方面有较大优势.本文结合近期收发型MPM的技术发展趋势,介绍了收发型MPM原理特点,与传统收发模式发射机进行了对比,介绍了收发型MPM的实现和应用.
本文的目标是研究真空绝缘问题中,较高的场致增强系数所可能对应的实际电极表面几何形貌.通过耦合基于波函数阻抗法的热-场致发射电流密度计算、基于电子轨迹法的空间电荷计算和微凸起内的电磁热计算,建立了电极表面微凸起的热-场致发射计算模型.通过对比具有相同场致增强系数的单个微凸起和多个叠加微凸起,发现更可能引起真空击穿的是单个的尖锐微凸起的高场致增强系数,而非多个具有较小场致增强系数的微凸起组合产生的高场致增强系数.结合本文的计算结果和文献中的实验、计算结果,发现原子级微观缺陷导致的局部逸出功下降,是实验测定出不合理的较高场致增强系数最有可能的原因.
多电飞机中频360～800 Hz电力系统是目前国内外研究热点,本文采用多物理场耦合方法仿真计算了中频真空电弧温度、电流密度、压力、电弧速度等特性.电弧模型建立在二维对称柱坐标系下,求解域包括触头、导电杆和电弧区域,以温度、磁感应强度、电流密度、速度为求解变量,考虑平衡放电热源、静态电流密度分量、感应电流密度分量、洛伦兹力、非等温流动和平衡放电边界热源等耦合条件,在中频真空灭弧室内建立了传热方程、麦克斯韦方程组和流体方程,利用分离变量法求解偏微分方程.求解得到10 kA电流峰值时,电弧中心温度为25000 K,电流密度为3×107 A/m2,电弧压力为6 × 105 Pa.与实验结果对比,表明本文所建立的中频真空电弧多物理场耦合模型的准确性.
更高的工作频率和更大的输出功率是当前行波管发展的主要方向.为满足Ku波段行波管日益提升的大功率和高效率发展需求,本文在分析慢波结构参数对色散和互作用阻抗影响的基础上,开展了 Ku波段环圈慢波结构高功率行波管研究.研究显示,在12.8 kV和0.4 A的工作条件下,环圈行波管可以提供2672.9 W的峰值输出功率,对应的增益和电子效率分别为 51.26 dB 和 26.10％,瞬时 3 dB带宽达到 2.5 GHz(14～16.5 GHz).
永磁操动机构作为新式真空断路器常用的操动机构,其运行状态决定真空断路器的性能,因此有必要对永磁操动机构进行故障诊断研究.本文以ZW45-12型永磁机构真空断路器为研究对象,对真空断路器永磁机构行程曲线进行特征参数分析,选择断路器启动时间、动作时间、刚分合速度、分合闸平均速度等四个参数作为诊断特征参数;基于断路器分合闸实验数据,对比常用的故障诊断算法,结果表明SVM算法性能最优;基于Spark平台搭建使用SVM算法的永磁机构故障诊断模型,并通过不断调整SVM算法的惩罚参数C和核函数kernel,对诊断模型进行优化.优化的SVM故障诊断模型对永磁机构回路电阻增大、机构卡涩及分闸弹簧单根脱落故障诊断精确率均在90％以上,分闸弹簧单根脱落故障诊断准确率可达96％,可以满足永磁机构故障诊断精度需求.研究结果为永磁机构的故障诊断提供参考.
在大电流真空电弧开断中阳极触头的烧蚀情况将决定开断的成功与否,掌握高电压等级真空开断关键技术需要深入理解真空电弧阳极烧蚀机理.本文对国内外关于阳极烧蚀的研究进行了综述,包括阳极放电模式的分类及特点、阳极表面温度及熔融触头运动的实验测量以及阳极烧蚀数值模拟,在此基础之上总结了触头材料对阳极烧蚀的影响,对大电流真空电弧阳极烧蚀研究的未来发展方向提出了建议.
真空断路器广泛应用于中压电力系统中,利用触头线圈产生的磁场调控真空电弧是提高真空断路器开断能力的重要手段,然而目前的设计方法没有综合考虑阴极斑点动态运动与触头线圈磁场的耦合效应,影响其设计准确性和精度.本文建立了考虑阴极斑点与磁场耦合关系的触头磁场计算模型,根据阴极斑点分布计算触头间隙控制电弧的磁场,并由磁场推进阴极斑点运动.在四分之一匝线圈式触头下,分析了阴极斑点分布对触头磁场的影响,对比了考虑耦合关系对触头磁场计算结果造成的差异.仿真结果表明,在阴极斑点的初始扩散阶段,纵磁变化不明显,而横磁随阴极斑点扩散而变化;稳定燃弧时,考虑耦合关系与否的纵磁最大差值可达纵磁最大值的24.1％.本文所建立的模型以及计算方法为真空灭弧室触头提供了一种新的设计思路与方法.
针对电子注动态散焦问题,采用三维大信号模拟软件MTSS,结合注-波互作用过程中粒子状态分布,从幅值及周期对实际使用的聚焦磁场进行了优化分析.模拟表明,在适当的位置采用渐变增强幅值磁场,可以明显调节互作用电路末端电子注波动,显著减少截获电流,从而解决电子注动态散焦问题.选取合适的磁周期对电子注动态散焦的抑制也有一定效果.综合以上分析,在G波段大功率脉冲行波管研制中,采用渐变加强的合适周期的永磁聚焦场,改善电子注的动态散焦问题.
行波管为发射机提供放大信号,其输出功率直接决定着系统的作用距离,是系统的核心部件之一.本文从提升电子效率和电子注功率两方面开展研究,以提升W波段行波管输出功率.基于折叠波导互用电路相速跳变设计,研制出8 GHz带宽内输出功率大于250 W的W波段行波管.提出非半圆弯曲折叠波导与相速跳变技术结合的设计方法,使W波段行波管输出功率和电子效率最高分别达到647 W和13.4％.提出一种四端口式高频结构和一种双弧弯曲折叠波导慢波结构,大幅提升了行波管对工作电流的聚焦能力,基于两种新型结构的创新研究,完成了千瓦级W波段行波管设计.
为获得非单一辐射方向图,设计辐射电长度为3倍波长的同轴辐射天线.应用电磁场有限元分析方法分析天线与物料耦合时端口驻波比,确定同轴辐射天线内导体尺寸为479 mm,辐射天线端口驻波比不高于1.6;2.45 GHz时辐射天线效率高达95％.应用多物理场分析方法研究了热变形的天线端口驻波比变化情况,结果表明聚四氟乙烯护套最高温度为126℃时轴向最大变形量为0.1mm,径向最大变形量为0.05 mm,辐射天线端口驻波比变换量不超过0.65％,该变化量在可接受范围内.对加工完成的天线应用物料水进行实测,三根天线的端口驻波比不高于1.54,大功率测试结果显示,三根天线满足基本使用要求.
针对一种X波段磁控管工作模式的频谱畸变问题,以谐振系统互作用空间结构参数和整管工作参数、冷热测数据为基础,基于CST微波工作室的粒子模拟仿真模块,建立了该管芯的基础数据三维模型;以阴极轴向高度、阴极发射面直径、阴极发射与工作磁场、工作阳极电压为变量,通过对各参数组合的整管粒子模拟过程信息和仿真结果的比较,分析工作状态时该管的谐振腔与输出波导内各模式振荡建立与稳定时的相对幅度与工作频率变化,发现阴极尺寸、阴极发射与工作磁场的不匹配,导致工作模式分裂或过强的竞争模式对工作模式的干扰,使工作模式频谱畸变.通过优化管芯主要结构参数与工作参数,适当增加阴极轴向高度和阴极直径,降低阴极表面轴向磁场,选取合理的阴极热发射范围,解决了该管工作模式的频谱畸变问题.
行波管是一种具有宽频带的微波管,它自发明以来已有60多年的历史,至今仍广泛应用于通信、雷达系统和电子对抗.随着卫星通信技术的快速发展,对高性能的大功率行波管的需求越来越迫切,而大功率伴随着更高的热损耗,因此,对其散热性能的研究是一项重要的工作.国内外专家学者对此做了大量的研究,本文综合叙述了目前行波管慢波组件材料和结构、组装方式以及接触热阻的研究现状,并总结了一些散热性能的评价方法.
针对钛陶瓷三极管成品率偏低的问题,本文利用能量色散谱仪对钛陶瓷三极管样品阴极表面成分进行分析,发现原封接工艺制备的三极管用氧化物阴极表面被一定量的Ag污染.根据排气封接工艺判断出阴极表面沉积的Ag来自于Ag-Cu焊料,通过模型计算安全保温时间,优化了排气分解保温时间.根据优化排气封接工艺制备的三极管内阴极表面未检测出Ag成分;将该阴极和被Ag污染的阴极放入二极管进行发射性能测试,结果显示被Ag污染的阴极和未被Ag污染的阴极拐点电流密度在800℃时分别为3和11 A/cm2,优化排气封接工艺制备的三极管成品率由原来的30％提高至80％.
