0.34 THz大功率过模表面波振荡器研究

论文对0.34 THz大功率过模表面波振荡器进行了模拟设计和初步实验研究. 针对高过模比(D/λ ≈ 6.8)慢波结构, 根据小信号理论选择了合适的慢波结构尺寸和电子束距壁距离, 实现了器件在表面波TM₀₁模的π点附近谐振. 根据PIC模拟结果, 表面波振荡器可以实现频率和功率分别为0.34 THz和22.8 MW的太赫兹波输出. 采用微细电火花加工技术完成了不锈钢慢波结构的一体化精细加工, 并基于小型化脉冲功率驱动源搭建了实验装置. 初步的实验结果表明, 在电子束电压和电流分别约为420 kV和3.1 kA时, 0.34 THz大功率过模表面波振荡器输出脉冲的频率范围为0.319–0.349 THz, 辐射功率不小于250 kW, 脉宽约为2 ns. 最后分析讨论了实验输出功率与模拟结果相差较大的原因, 为表面波振荡器的性能改善奠定了基础.     

梯形波纹同轴慢波结构色散特性及其纵向谐振特性

 利用傅里叶级数展开,给出了一种求解梯形慢波结构表达式的方法。通过数值模拟,研究了级数展开次数对求解精度的影响。当级数为10阶时,线型拟合而成的结构与原结构吻合较好。利用此表达式数值求解了色散方程,得到两个最低阶模quasi-TEM模和A 模。分析了为实现电子束与quasi-TEM模的-1次空间谐波相互作用慢波结构参数所需满足的条件,并指出利用此条件下纵向电场具有表面波的特点可实现横向模式选择。采用S参数理论研究有限长慢波结构的纵向谐振特性,提出在同轴慢波器件中加入同轴引出结构可减少所需慢波结构周期数,这不但使器件结构更为紧凑,还可避免纵模竞争从而提高器件效率、稳定产生微波频率。在此基础上设计了一种L波段同轴相对论返波振荡器,采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。模拟结果表明,该器件具有径向尺寸小、束-波作用效率高的特点。在电子束能量700 keV、电子束流11.5 kA的条件下,器件在频率1.6 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.60 GW,平均效率约为32.3%。     

大功率0.34 THz辐射源中慢波结构的优化设计

为研制大功率太赫兹源, 提出以切连科夫表面波振荡器为基础, 采用过模结构来研究0.34 THz信号的产生. 重点研究了慢波结构的各参数对器件输出性能的影响, 对慢波结构进行了优化设计, 并采用数值模拟方法, 对慢波结构实际参数的选取和实验中所允许的加工精度提了具体要求; 最后采用粒子模拟对该结构进行了"热腔"模拟计算. 结果表明该结构能够产生频率为0.34 THz, 输出功率约为7.8 MW的太赫兹信号, 并且稳定工作于表面波振荡器状态. 该结果为下一步0.34 THz太赫兹源的研制奠定了基础. 关键词： 表面波振荡器 慢波结构 太赫兹 粒子模拟     

0.14太赫兹同轴表面波振荡器研究

为了提高太赫兹表面波振荡器的输出功率,本文提出了同轴结构的表面波振荡器模型,并且获得了该同轴结构TM01模的色散曲线,采用自行研制的全电磁粒子模拟软件UNIPIC对提出的同轴结构表面波振荡器进行了模拟,结果表明器件的工作频率与圆柱结构时的表面波振荡器相同,在输出端以TEM模式传输太赫兹波,输出功率相比圆柱结构的表面波振荡器输出功率水平提高了67.8%.     

紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器，通过粒子模拟研究了L波段同轴相对论返波振荡器相互作用的物理过程，并对器件的电磁结构进行了优化和改进。分析表明，采用同轴慢波结构可以在较低的外加磁场下实现L波段返波振荡器的微波输出，同时可以大大减小微波器件的径向尺寸。这是因为同轴慢波结构的TM01模式有类似于TEM模的性质，没有截止频率，但纵向电场不为零，电子束能够与它发生强相互作用过程。粒子模拟优化结果表明，在器件半径仅为4.0 cm，电子束能量240 keV，电子束流1.8 kA，导引磁场仅为0.75 T时，返波振荡器可以在频率1.60 GHz处获得较大功率的微波输出， 平均峰值功率达140 MW，平均峰值功率效率约为32%。     

渐变慢波结构的太赫兹过模表面波振荡器北大核心CSCD

模拟研究了一种在均匀慢波结构后增加渐变慢波结构段的太赫兹过模表面波振荡器,获得了输出功率和模式纯度的显著提高。首先根据S参数方法,研究分析了这种复合高频结构中TM_(01)模的谐振特性。然后采用2.5维PIC(Particle-in-cell)软件UNIPIC,模拟研究了振荡器输出性能随渐变慢波结构周期数的变化关系。结果表明:随着周期数的增加,输出太赫兹波中的TM_(02)和TM_(03)等高次模成分降低,TM_(01)模的功率比例增大至80%以上;选择合适长度的渐变慢波结构,能使得器件输出功率增大50%。     

欧姆损耗对太赫兹频段同轴表面波振荡器的影响

为了研究欧姆损耗对太赫兹波段真空电子器件工作特性的影响, 本文推导了2.5维全电磁粒子模拟软件UNIPIC的表面阻抗边界条件, 并采用软件对不同金属材料慢波结构的同轴结构表面波振荡器进行了数值模拟研究, 分析了不同金属材料慢波结构器件的输出功率与电导率的关系, 模拟结果表明: 金属电导率对器件的输出功率有非常大的影响, 对于0.14 THz 同轴表面波振荡器, 铜材料和不锈钢材料慢波结构器件的输出功率分别下降13.4%和63.9%, 起振时间分别延迟0.4 ns 和15 ns.     

X波段重频过模返波振荡器实验研究

根据两腔振荡器和返波管的特点研制了过模结构返波振荡器, 该器件主要由调制腔和换能腔(慢波结构)两部分组成. 调制腔既是电子束的预调制腔, 也是微波谐振反射腔, 它同换能腔形成一个过模微波谐振腔,经调制腔调制后的电子束在换能腔中实现束波能量转换. 根据加速器的电子束参数(束压为1 MV,束流为20 kA)设计了一个X波段的高功率微波器件,2.5维粒子模拟程序模拟得到微波频率为8.25 GHz,输出功率为5.70 GW. 用超导磁体作为引导磁场,单次运行输出微波功率为5.20 GW,微波频率为(8.25±0. 关键词： 两腔振荡器 返波振荡器 多波切连科夫发生器     

紧凑型P波段相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了一种紧凑型P波段相对论返波振荡器,其电动力学结构是由同轴慢波结构和同轴引出结构组成的。同轴慢波结构缩小了器件的径向尺寸;同轴引出结构缩短了器件的轴向长度,且提高了束波作用效率。通过粒子模拟研究了器件内束波作用的物理过程,模拟结果表明：器件具有结构紧凑、束波作用效率高的特点。在二极管电压700 kV,电流7 kA,导引磁场1.5 T时,器件在频率833 MHz处获得较高的微波输出,饱和后输出微波的平均功率达1.58 GW,效率约为32%,器件电磁结构尺寸仅为108 mm×856 mm。     

三种同轴双波纹周期慢波结构对比研究

利用Fourier级数展开法,给出了任意几何结构的表达式的求解方法.通过数值计算,对比分析了余弦、梯形和矩形波纹慢波结构(slow-wave structure,SWS)的色散特性.根据S参数理论,研究了这三种SWS纵向模式选择的特性,提出了在同轴慢波器件中加入同轴引出结构,可减少所需SWS周期数,不但使器件结构更为紧凑,还可避免纵模竞争从而提高器件效率、稳定产生微波频率.进一步通过KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序,探讨了分别采用三种SWS的相对论返波振荡器(backward-wave oscillator,BWO)的束-波作用的物理过程,设计了一种紧凑型、吉瓦级、同轴L波段BWO,分析了不同形状SWS的选取原则.在此基础上,开展了初步实验研究：在二极管电压为670 kV,电子束流为107 kA,引导磁场为075 T的条件下,输出微波峰值功率约为102 GW,微波波形半高宽为22 ns,功率转换效率约为142%,频率为161 GHz. 关键词： 同轴慢波结构 相对论返波振荡器 色散特性 高功率微波     

X波段10 GW高功率返波管振荡器设计

设计了一个高效率的高功率返波管振荡器,通过添加内导体并采用过模慢波结构,实现器件的高效率、高功率运行. 当电子能量和束流分别为1.3 MeV和17 kA时,采用2.5维Particle in Cell (PIC)程序模拟得到频率为8.8 GHz,功率为10.4 GW的微波输出. 关键词： 内导体 相对论返波管 过模慢波结构     

A high-power subterahertz surface wave oscillator with separated overmoded slow wave structures

A megawatt-level subterahertz surface wave oscillator(SWO) is proposed to obtain high conversion efficiency by using separated overmoded slow wave structures(SWSs). Aiming at the repetitive operation and practical applications, the device driven by electron beam with modest energy and current is theoretically analyzed and verified. Then,the functions of the two SWS sections and the effect of the drift tube are investigated by using a particle-in-cell code to reveal how the proposed device achieves high efficiency. The mode analysis of the beam-wave interaction region in the device is also carried out, and the results indicate that multi-modes participate in the premodulation of the electron beam in the first SWS section, while the TM01 mode surface wave is successfully and dominantly excited and amplified in the second SWS section. Finally, a typical simulation result demonstrates that at a beam energy of 313 ke V, beam current of 1.13 k A, and guiding magnetic field of above 3.5 T, a high-power subterahertz wave is obtained with an output power of about 70 MW at frequency 146.3 GHz, corresponding to the conversion efficiency of 20%. Compared with the results of the previous subterahertz overmoded SWOs with integral SWS and similar beam parameters, the efficiency increases almost 50% in the proposed device.     

低频段紧凑型同轴相对论返波振荡器

基于P波段新型三周期慢波结构同轴相对论返波振荡器设计思想,设计了一个L波段同轴相对论返波振荡器。粒子模拟表明,在二极管电压591 kV、电流8.2 kA、导引磁场0.8 T时,获得了1.50 GW的微波输出,频率为1.64 GHz,效率达31%,器件慢波结构尺寸仅为f96 mm207 mm。分析了该器件实际高频结构的电动力学特性,重点研究了纵向谐振模式、品质因数等特点,并结合P波段的研究结果,得到了该类器件的相关设计指标:慢波结构长度约为一个波长,波纹周期约5/13波长,外波纹深度约1/10波长,内波纹深度约1/30波长,电子束半径约0.7倍外波纹平均半径,器件的纵向工作模式为0.8模,对应的Q值约16。     

0.14 THz过模表面波振荡器初步实验研究

为获得大功率太赫兹源,对基于表面波振荡器的相对论太赫兹源进行了初步的实验研究。为便于机械加工和实验装配,器件采用过模矩形波导慢波结构。利用理论分析和数值模拟得到的参数,在CKP1000加速器上进行了实验。功率测量采用辐射场功率密度积分方法,频率测量采用截止波导滤波法。在电子束压为320 kV、电子束流强度为2.1 kA、引导磁场为5 T条件下,实验获得频率0.136 THz以上、脉冲宽度为1.5 ns和辐射功率约2 MW的太赫兹信号输出。     

Comparative research on three types of coaxial slow wave structures

This paper studies three types of coaxial slow wave structures （SWSs）： （1） with ripples on both the inner and outer conductors; （2） with ripples on the outer conductor and smooth on the inner one; and （3） with ripples on the inner conductor and smooth on the outer one. The frequencies, coupling impedances, time growth rates and beam-wave interaction efficiencies of the three types of coaxial SWSs are obtained by theoretical analysis. Moreover, the relativistic Ccrenkov generators （RCGs） with the three types of coaxial SWSs are simulated with a fully electromagnetic particle- in-cell code, and the results verify the theoretical analysis. It is proved that the RCG with double-rippled coaxial SWS has the highest conversion efficiency and the shortest starting time.     

X波段内同轴膜片加载相对论返波振荡器的特性研究

 把同轴膜片作为相对论返波振荡器的慢波结构，从Maxwell方程组和Floquet定理出发，导出了电磁波在同轴膜片加载相对论返波振荡器中的色散关系。通过编程计算得出TM_0n模式的色散曲线，数值分析了周期长度和导体半径对器件工作频率的影响，运用PIC程序模拟了返波振荡器中注波互作用过程。讨论了纵向聚焦磁场、电子注到慢波结构的距离、槽深和槽宽对输出功率和效率的影响。研究表明：增加器件的周期长度，可以减小器件的截止频率和同一模式下的工作频率； 调节内导体半径的大小，几乎不影响器件的工作频率。周期长度取11 mm，槽深取2 mm，槽宽取3.6 mm，漂移长度取7.5 mm的结构，在520 kV电压、8 kA电流和0.7 T的轴向聚焦磁场条件下，器件能输出2.8 GW的峰值功率,功率效率约33.2%。该慢波结构加工方便，具有广阔的应用前景。     

慢波结构爆炸发射对高功率太赫兹表面波振荡器的影响

随着真空电子学器件的工作频率达到太赫兹波段, 表面波振荡器的横截面尺寸变小, 慢波结构的加工精度难以得到保证, 同时由于表面波振荡器的电磁场集中在慢波结构表面, 在高电压工作情况下, 太赫兹波段的表面波振荡器慢波结构爆炸发射电子会影响器件的工作特性. 本文分析了高电压工作情况下0.14 THz表面波振荡器慢波结构中电场的分布特性, 研究表明, 在慢波结构区域沿着轴线方向上存在电场幅度的包络分布, 在慢波结构中心位置处靠近慢波结构内半径处电场的幅度最大, 最易爆炸发射产生电子, 采用粒子模拟软件UNIPIC模拟了慢波结构处爆炸发射的电子对器件工作特性的影响, 同时考虑了电子回流所产生的二次电子倍增效应, 数值模拟结果表明, 慢波结构电子产生会导致器件的输出功率下降, 从数十兆瓦下降到兆瓦量级.     

0.14THz过模表面波振荡器的模式分析

采用理论分析和实验验证相结合的方法, 研究了0.14 THz过模表面波振荡器(过模比D/λ≈3)中太赫兹波模式成分的分布. 首先针对具有圆周对称结构的过模切连科夫器件, 建立了用于模式分析的纵向场分解法. 接着基于2.5维PIC(Particle-in-cell)软件的电场模拟结果, 采用该方法对0.14 THz表面波振荡器的模式进行了详尽的理论分析. 结果表明, 器件中不同结构区域的太赫兹波模式成分不同, 相互间存在模式转换, 输出模式以TM₀₂和TM₀₃模为主, 并伴有少量TM₀₄模. 最后利用图像显示法获取了0.14 THz表面波振荡器的近场辐射能量分布, 与由模式分析结果得到的理论分布符合的较好, 证明了纵向场分解法用于模式分析的可行性和结果的正确性. 关键词： 过模 表面波振荡器 模式分析 场分解法