S波段低磁场高效率相对论返波管振荡器研究

针对传统相对论返波管振荡器低磁场工作束波转换效率较低的问题,本文提出并研究了一种带中间调制腔链及TM02模式提取腔的相对论返波管模型:中间调制腔链用于进一步群聚电子束,提高电子束的基波调制深度;TM02模式的提取腔用于提高返波管的Q值,增强提取腔中的驻波电场;漂移段用于调节电子束在调制腔链中的群聚相位和提取腔中的换能相位.在此基础上,设计了一个S波段高效率相对论返波管振荡器,器件输出微波功率4.2 GW,频率2.38 GHz,束波转换效率达到50%,引导磁场强度0.7 T.     

捷变频相对论返波管振荡器设计

基于低磁场返波管振荡器的工作原理,设计了一个捷变频相对论返波管振荡器,该器件由两段对电子束参数要求基本一致的慢波结构串接而成,通过调节引导磁场强度实现器件频率的调节,使其分别工作于C波段和X波段。在电子能量和束流分别为670keV和8kA的条件下,当引导磁场强度为0.5T时,采用2.5维PIC程序模拟得到频率为6.28GHz、功率为1.0GW的微波输出;而当引导磁场强度为0.8T时,得到频率为9.25GHz、功率为0.75GW的微波输出。     

相对论返波管振荡器齿状阴极

研究了一种齿状阴极的电子束产生传输过程以及对相对论返波管振荡器产生高功率微波的影响。基于SINUS881加速器,利用束流轰击金属靶观测齿状阴极产生电子束在不同轴向位置上的角向分布,并开展了基于环形阴极和齿状阴极的X波段相对论返波管振荡器的实验研究。对不同齿数及尺寸对电子束流特性、器件输出微波功率和脉冲宽度的影响进行了分析。实验结果表明:当阴极的齿数增加到一定数量时,电子束的横向运动使得电子束在径向逐渐趋于分布均匀;与均匀环形阴极的打靶结果近似,此时,电子束对于相对论返波管振荡器产生微波的功率和脉宽影响不大。     

低磁场S波段相对论返波振荡器的工作特性

为了实现高功率微波发生器的小型化,开展了S波段低磁场相对论返波振荡器工作特性的研究工作。由于S波段返波振荡器频率低,对应的电子回旋共振磁场强度也很低,因此低磁场条件下面临着电子束传输效率低和束波互作用效率低两大问题。为解决上述问题,采取下列措施:通过加大电子束与器件内壁的距离,提高电子束传输效率;采用较深的慢波结构作为提取腔,实现高束波互作用阻抗;提取腔前采用浅深度慢波结构,使提取腔区域的电子速度与微波相速同步。粒子模拟证明,以上措施有效,在引导磁场强度仅为0.17 T、电子束电压435 kV、电流6.5 kA的条件下,该返波管获得功率为670 MW、效率约为25%的输出微波。相对于常规S波段相对论返波振荡器的磁场系统(B=0.8 T),适用于该返波管的0.17 T低强度磁场系统螺线管外半径下降了20%,能耗下降了约93.8%。     

X波段永磁包装相对论返波管研制

设计了一个X波段相对论返波管,通过对器件结构的特殊设计,提高了器件的Q值,同时增大了电子束与慢波结构之间的耦合阻抗,从而实现器件的低磁场运行以便对其进行永磁包装;当引导磁场强度0.46 T、电子束束压750 kV、束流约5.5 kA时,得到频率9.1 GHz、功率1.24 GW的微波输出。根据模拟结果设计加工了一个磁场强度为0.46 T的小型化永磁磁体,该磁体长48 cm,最大外半径15 cm,总重量约116 kg。开展了永磁包装返波管的实验研究,得到以20 Hz的频率运行1 s时功率900 MW、单次运行时功率940 MW的X波段微波输出。     

高效率超辐射相对论返波管

对新型同轴单程超辐射相对论返波管振荡器进行了进一步的研究。该振荡器的互作用区为同轴结构,外导体为一波纹波导,内导体为一光滑圆波导;辐射场从左端耦合到圆波导后输出,不需要截止颈。通过增加波纹周期数并调整互作用区末端波纹深度,器件的功率转换效率得到进一步的提高。当电子束电压为360 kV,电流为9.15 kA,外加磁场强度为2.7 T时,通过参数优化,模拟获得了瞬时峰值功率超过18 GW、脉冲宽度约400 ps,中心频率为8.1 GHz的微波输出,平均功率转换效率达到了275%。     

宽间隙反射器相对论返波管同频高阶模式抑制

实现输出模式控制和纯化是过模相对论返波管振荡器物理设计的关键。结合数值仿真和粒子模拟,对一种宽间隙反射器过模相对论返波管内的同频高阶模式激励及其抑制进行了研究,结果表明:模式转换和激励是同频高阶模式的直接来源,合理优化慢波结构、反射器和二极管参数,抑制由工作模式向高阶模式的转化效率,调整由二极管区反射回束波互作用区的模式相位,实现了过模相对论返波管的高效率工作和高模式纯度微波输出;所设计的宽间隙反射器过模相对论返波管输出微波功率中TM01模式的比例高于98%,功率转换效率约40%,工作频率为9.87GHz。     

大功率太赫兹返波管振荡器设计北大核心CSCD

设计了一个过模太赫兹返波管振荡器,通过对慢波结构的精心设计,使电子束动能得到充分提取,实现器件的大功率及高效率运行。在电子能量和束流分别为280keV和320A的条件下,当引导磁场强度为3T时,采用2.5维Particle in Cell(PIC)程序模拟得到频率为121.8GHz、功率为13MW的太赫兹波输出,器件的束波转换效率约为14.5%。     

耦合阻抗单阶跃变型相对论返波管的研究

 建立了非均匀耦合阻抗相对论返波管的非线性理论,模型中计及了慢波结构两端口对电磁波的反射效应,正向波基波与注电子的非同步互作用效应。应用全电磁粒子模拟程序对器件中注波互作用过程及性能进行了数值模拟和优化,报道了X波段耦合阻抗单阶跃变型相对论返波管实验结果。     

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     

CSNS\RCS引出系统快脉冲冲击磁铁样机的设计

 设计了中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)引出系统快脉冲冲击磁铁样机。为降低磁铁和其电源的研制难度,保证运行的可靠性,决定采用美国散裂中子源(SNS)的Single-turn结构。根据磁铁的设计指标,给出了磁铁设计要求铁芯材料选择方法、整体的结构设计以及如何对磁铁进行定位和准直,并采用Opera程序进行模拟计算,结果表明：当铁芯长度为220 mm时,磁有效长度大约为302 mm;磁感应密度最大的地方在4个内角上,约为0.215 T;在133 mm×200 mm的平面范围内,磁场均匀性优于±0.8%。理论分析和Opera程序模拟均验证了磁铁结构方案的可行性。     

Comparison of adjustable permanent magnetic field sources

A permanent magnet assembly in which the flux density can be altered by a mechanical operation is often significantly smaller than comparable electromagnets and also requires no electrical power to operate. In this paper five permanent magnet designs in which the magnetic flux density can be altered are analyzed using numerical simulations, and compared based on the generated magnetic flux density in a sample volume and the amount of magnet material used. The designs are the concentric Halbach cylinder, the two half Halbach cylinders, the two linear Halbach arrays and the four and six rod mangle. The concentric Halbach cylinder design is found to be the best performing design, i.e. the design that provides the most magnetic flux density using the least amount of magnet material. A concentric Halbach cylinder has been constructed and the magnetic flux density, the homogeneity and the direction of the magnetic field are measured and compared with numerical simulation and a good agrement is found.     

An optimized magnet for magnetic refrigeration

A magnet designed for use in a magnetic refrigeration device is presented. The magnet is designed by applying two general schemes for improving a magnet design to a concentric Halbach cylinder magnet design and dimensioning and segmenting this design in an optimum way followed by the construction of the actual magnet. The final design generates a peak value of 1.24 T, an average flux density of 0.9 T in a volume of 2 L using only 7.3 L of magnet, and has an average low flux density of 0.08 T also in a 2 L volume. The working point of all the permanent magnet blocks in the design is very close to the maximum energy density. The final design is characterized in terms of a performance parameter, and it is shown that it is one of the best performing magnet designs published for magnetic refrigeration.     

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%。     

Ka波段TM02模式低磁场相对论返波管初步实验研究

对Ka波段TM₀₂模式低磁场相对论返波管的结构特点、工作原理进行了介绍,详细分析了该器件以TM₀₂模工作的模式选择机制。通过粒子模拟,该器件在1 T引导磁场下获得了功率为493 MW、频率29.3 GHz的微波输出,工作模式及频率与理论设计相一致。随后,基于模拟中的结构参数开展了初步的实验研究,当二极管电压为580 kV、电流为3.56 kA、引导磁场1 T时,获得了功率286 MW、频率29.3 GHz、脉宽约10 ns的微波输出。实验获得的微波频率与数值模拟一致,但是微波功率与数值模拟结果有明显差异,并且微波脉冲后沿有明显的缩短,分析认为在低磁场下后端谐振腔链受到电子轰击是导致该问题的主要原因。     

永磁体 N-N 相对式排列提升旋转式高温超导磁通泵开路电压的仿真研究

旋转式高温超导磁通泵可以无接触地向超导线圈中注入直流电, 在超导磁体充电方面具有独特的优势.在本文中, 我们基于 H-A 方程耦合建立了一个磁通泵二维有限元模型, 分别模拟了三块永磁体、 五块永磁体在不同的排列方式下对磁通泵开路电压的影响. 与正常的 N 极向下的排列方式相比, N-N 相对式排列改进后能够提升磁通泵的开路电压; 改进式 Halbach 排列对开路电压几乎没有影响. 在50 Hz 的旋转频率下, 永磁体 N-N 相对式排列使开路电压提升13% . 这是由于永磁体 N-N 相对式排列后, 磁通将会被挤压, 从而产生有多个峰值的磁感应强度分布, 使等效电压波形从不对称的四重峰变为多重峰. 最后, 对永磁体宽度进行了参数化扫描来分析永磁体尺寸对开路电压的影响. 通过优化磁体结构设计, 可以控制磁感应强度分布, 提升磁通泵的开路电压, 为提升实验装置的输出性能提供一种新颖的设计方向.     

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。     

带有反射腔的双频相对论返波管的粒子模拟

 设计了一种带有反射腔的能在X波段实现稳定双频输出的圆柱结构相对论返波管,采用2.5维相对论全电磁PIC粒子模拟软件行粒子模拟研究。仿真结果表明:在输入电压433 kV、引导磁场2.2 T的条件下,实现了9.53,10.09 GHz的双频稳定输出,平均输出功率340 MW,平均功率效率24.1%。