X波段短脉冲相对论返波管设计与初步实验

 对基于短电子束脉冲超辐射机理的X波段相对论返波管进行了优化设计和粒子模拟，结果表明：在超辐射机理作用下，该器件能实现高峰值功率和高功率转换效率的微波辐射。在小型Tesla脉冲源基础上设计了阻抗变换段、二极管、磁场系统等装置，建立了一套小型窄脉冲电子加速器，以此为实验平台在低磁场条件下进行了器件的初步实验研究。在磁场0.73 T、束压约380 kV、束流约4.5 kA、脉宽3.1 ns条件下，实验获得的微波脉冲峰值功率约360 MW，脉宽1.10 ns，上升沿800 ps，频率9.15 GHz，功率转换效率为21%。     

毫米波回旋超辐射的粒子模拟与实验研究

 为开发回旋超辐射在毫米波和亚毫米波超辐射高功率微波源中的优势,采用3维PIC粒子模拟对回旋超辐射的工作特性进行了分析,并在此基础上优化设计了器件结构及工作参数范围。模拟表明,微波峰值功率与电子束脉宽在一定范围内成平方关系,符合超辐射的典型特征。初步实验在210 kV, 250 A的电子束参数下获得了6 MW的微波峰值功率输出,工作频率37.2 GHz,模式为TE01,与粒子模拟的结果基本一致。     

X波段重复频率GW级超辐射相对论返波管

运用超辐射机理,通过粒子模拟设计了X波段超辐射相对论返波管,并在小型Tesla脉冲源平台上开展了实验研究。通过空间功率积分和直接对辐射微波时域波形的分析得到实验结果:在束压350 kV、束流4.8 kA、脉宽3.1 ns、引导磁场2.2 T条件下,产生的微波辐射功率1.4 GW,中心频率9.36 GHz,脉宽500~700 ps,辐射模式为TE11,能在重复频率100 Hz下稳定运行。功率转换效率超过80%。实验结果与粒子模拟结果比较吻合,成功实现了在短脉冲条件下产生重复频率、亚纳秒脉宽、GW级微波辐射。     

提高相对论返波管超辐射峰值功率的新途径

 基于相对论返波管束波互作用的非线性自洽方程组,针对超辐射机制相对论返波管计算模型,编制程序数值研究了二极管电压、电流、耦合阻抗等参数对输出超辐射的影响,提出了提高相对论返波管超辐射峰值功率的新途径。通过全电磁粒子模拟程序验证了所得结论：超辐射机制下,通过电子束脉冲内线性调制二极管电压和电流,以及采用非均匀耦合阻抗的混合优化方式,可以增加束波共振范围和改善束波换能效率,达到进一步提高相对论返波管超辐射峰值功率的目的。     

具有超辐射特性的回旋器件模拟研究

 在详细分析快波结构中的束波互作用基础上,采用2.5维PIC粒子模拟软件设计了一种回旋器件。该器件采用摇摆器形成回旋电子束,并采用强耦合方式和优化的互作用段长度，在束压250 kV、束流200 A、脉宽1 ns的电子束驱动下，模拟获得了峰值功率7 MW、频率38.5 GHz的微波短脉冲输出，峰值功率转换效率达到14%。其峰值输出功率与束脉宽之间的平方关系符合超辐射效应的特征。     

低引导磁场下相对论亚纳秒电子束毫米波返波振荡器的粒子模拟

提出了一种Ka波段的相对论亚纳秒电子束毫米波慢波结构,在较低引导磁场情况下,运用粒子模拟(PIC)方法成功地模拟出器件中波束互作用的非线性物理演化过程,得到了一种超辐射状态下的微波辐射,它的产生与波相对于电子束滑移引起的电子束内电子间相互作用有关,辐射微波的峰值功率与电子束总电荷的平方成正比.粒子模拟有利于对超辐射这种束波互作用非线性物理现象的理解,并且对器件的设计有一定的参考价值.     

充中性气体相对论返波振荡器的粒子模拟研究

 用PIC粒子模拟方法研究了充中性气体相对论返波管的物理机制，成功模拟了电子束碰撞充入返波管中的中性气体电离产生等离子体的过程，在电子束传输的路径上形成离子通道，有效中和电子束径向空间电荷力，有利于电子束的传输及束波相互作用产生微波。增加中性气体密度，返波管的输出频率明显上移，其辐射的功率和效率比相同的真空器件也有明显的提高。     

充填不同气体相对论返波管特性的PIC-MCC模拟

讨论了PIC-MCC方法的基本原理以及在UNIPIC软件中的编程实现,并用该软件模拟了充填不同种类气体在不同气压下相对论返波管的气体电离过程,讨论了所产生的等离子体对电子束的传输以及波束相互作用的影响.给出了返波管输出功率、频率和起振时间随气体种类和气压等参数的变化情况.模拟结果表明,电离产生的阳离子是返波管性能改善的原因,而腔内滞留的低能电子是破坏返波管振荡而引起脉宽缩短的重要因素. 关键词： 蒙特卡罗碰撞 粒子模拟 高功率微波 相对论返波管     

相对论返波管超辐射产生与辐射的数值模拟研究

本文研究了相对论返波管产生X波段超辐射问题,产生中心频率为9.25 GHz的电磁脉冲,并在相对论返波管的输出端直接接入VLASOV辐射天线.提出将粒子模拟软件UNIPIC与自行研制的天线辐射模块相结合,实现超辐射现象微波的产生以及辐射的全过程模拟,并研究了输出功率随注入波脉冲以及填充稀有气体气压的变化.模拟结果表明,器件的峰值功率可以达到3.68 GW,瞬时效率超过100%,VLASOV天线在斜切角为20?时,天线的增益达到15.5 dB,在1 km处的功率密度可达到0.728 W/cm2.     

X波段相对论返波管谐振反射器

基于TPG2000强流电子束加速器和带谐振反射器的相对论返波管振荡器,开展了X波段高功率微波产生实验研究,获得了功率约2.5 GW,脉宽约20 ns的微波输出。理论分析及模拟了不同倒角大小对谐振反射器的表面电场及截止性能的影响,并对不同倒角开展了实验研究。结果表明,对谐振反射器倒角可增加输出微波脉冲宽度,且随着倒角增加,微波脉宽增加,效率略有降低。在谐振反射器倒角5 mm情况下,利用电压900 kV,电流9 kA的强流电子束,实验获得了功率约2.5 GW、脉宽大于25 ns的微波输出。     

Study of superradiance based on a low-voltagebackward wave oscillator

According to the small size requirement for wide-band high-power microwave radiation, a superradiance backward wave oscillator (BWO) is proposed to generate such high-power microwave radiation with a low voltage (～20 kV) pulse power supply and low guiding magnet field (～0.1 T). In order to get a high-efficiency C-band superradiance BWO with a low beam voltage and a low guiding magnet field, the mechanism of superradiance in a BWO is explored in particle-in-cell simulation. With the oversized structure, the simulation shows that a microwave power of 405 kW with a frequency of 5.6 GHz and a spectrum width of 500 MHz can be obtained with a voltage of 23 kV and magnetic field of 0.1 T.     

磁压对级联爆磁压缩脉冲发生器性能的影响

为了研究负载为mH量级的间接馈电两级级联柱-锥构型的爆磁压缩产生器的基本物理过程和能量转换机理，利用描述爆磁压缩物理过程的2维爆轰磁流体力学程序MFCG(Ⅴ)，以实验模型结构参数为基础模拟计算了一系列模型，分析了磁压对金属套筒径向膨胀速度及膨胀过程的影响。计算结果表明:套筒的径向膨胀速度取决于爆轰压与磁压的共同作用，在爆磁压缩过程的绝大部分时间里，向外膨胀的爆轰压都远大于向内压缩的磁压，因而套筒的径向膨胀速度主要是由爆轰压决定;但是在功率放大级的后半段，也就是发生器电流增长最快阶段，磁压也迅速增长，它的增长大大降低了套筒的径向膨胀速度；在功率放大级的后期，磁压已经超过爆轰压，它对系统设计的影响已经不能完全忽略。     

Injection-Seeded 500 Hz Repetition Rate High Peak Power Single-Frequency Nd:YAG Laser for Mid-Infrared Generation

We develop an injection-seeded single-frequency neodymium-doped yttrium aluminum garnet (Nd:YAG) laser with 500 Hz repetition rate and high peak power. The laser construction is designed as seed injection and master oscillator power amplifier (MOPA) including single-frequency master oscillator, extra-cavity frequency doubling crystal, and round-trip power amplifier. The master oscillator can emit 1,064 nm laser of 8.4 mJ with 6.8 ns pulse width at the pump energy equal to 23 mJ. A green laser energy of 1.1 mJ is obtained by setting the proper temperature of the LBO crystal. The pulse energy of 1,064 nm laser decreases to 6.5 mJ after passing through the LBO crystal and rises to 25.3 mJ after a round-trip power amplifier corresponding to the extraction efficiency of 29%. The final output pulse width is 6.5 ns, representing a peak power of 3.9 MW. The 1,064 nm laser beam quality factor M² of the master oscillator and the amplified one are 1.3 and 1.5, respectively. The laser will be used to generate mid-infrared where the 532 nm laser with narrow pulse width is to pump sheet optical parametric oscillator (OPO) and the 1,064 nm laser with high peak power to pump the OPO.     

Generation and Amplification of Cherenkov Superradiance Pulses by Electron Beams with Energy Chirp

We propose a method for increasing the peak power of a superradiance pulse by varying the electron energy along an electron bunch. A one-dimensional time-dependent model describing the evolution of an electromagnetic pulse as well as direct numerical simulations based on the KARAT code show that the power of generated pulses becomes several times greater if the particle energy increases linearly along the bunch. A similar method can be applied to increase the peak power in the case of amplification of a short electromagnetic pulse (and a superradiance pulse generated by an external source) propagated along a quasi-continuous electron beam with a certain particle-energy profile.     

全固态脉冲功率源驱动Ka波段相对论返波管振荡器

利用基于SOS的固态脉冲功率源进行了Ka波段相对论返波管振荡器(RBWO)的实验研究。该固态脉冲功率源工作电压200~360 kV,工作电流约2.6 kA,脉宽约20 ns,脉冲上升前沿约9 ns。SOS固态脉冲功率源驱动Ka波段BWO的实验结果为:微波频率36~38 GHz,脉宽约10 ns,峰值功率约50 MW,重复频率10 Hz。