双共焦波导结构二次谐波太赫兹回旋管谐振腔设计

准光共焦波导具有功率容量大、模式密度低的特点,能够有效地减少模式竞争对回旋管互作用的影响,有利于高次谐波太赫兹回旋管的设计.为提高太赫兹准光回旋管的互作用效率,在共焦柱面波导的基础上,研究了一种新型高频互作用结构——双共焦波导结构,设计了一种330 GHz二次谐波双共焦结构回旋管谐振腔并对其进行了理论分析和粒子模拟.研究结果表明,双共焦谐振腔中的高阶模式能够与高次电子回旋谐波发生稳定的相互作用,并且没有模式竞争现象,具备工作在太赫兹波段的潜力.相比普通共焦波导谐振腔,双共焦谐振腔能够增强准光回旋管的注波互作用强度,提高回旋管的输出功率和工作效率.此外,结果还表明双共焦波导中的电磁波模式是一种由两个独立的共焦波导模式叠加而成的混合模式.利用这种混合模式有望实现太赫兹回旋管的单注双频工作,为新型太赫兹辐射源的研究提供了新的途径.     

W波段二次谐波突变复合腔回旋管数值模拟

 通过对二次谐波低电压突变结构复合腔回旋管中谐振腔结构、模式竞争以及电子注-波互作用的研究,分析了高频结构特性、寄生模式的抑制和工作参数优化等问题。给出了3 mm 二次谐波低损耗TE₀₂/TE₀₃模式回旋管的模拟设计结果。计算采用了坡度磁场,互作用效率得到显著提高。PIC粒子模拟结果表明:在电子注电压25 kV、电流4 A、纵横速度比1.6、工作磁场1.72 T时,回旋管可获得37 kW 的输出功率,横向运动能量转换效率高达51%,器件效率为37%。     

95 GHz三次谐波回旋管设计

采用线性理论和非线性理论研究了回旋管谐振腔结构、寄生模式抑制及注波互作用等问题。设计了一支工作在95 GHz的三次谐波回旋管,注波互作用结构采用标准开放式谐振单腔,工作模式为TE64, 采用电压45 kV、电流5 A、横纵速度比为1.5的小回旋电子注。在不考虑电子注速度离散及厚度的情况下,非线性理论分析表明,该回旋管可以获得14 kW功率输出,横向互作用效率约为18%,整管效率约11%。     

3 mm波段二次谐波渐变复合腔回旋管的非线性模拟

 利用含电流的传输线方程,并在考虑多模注-波互作用及多模耦合的情况下,利用自主开发的多模高次谐波渐变结构复合腔回旋管的注-波互作用数值模拟软件,对3 mm波段二次谐波渐变复合腔回旋管进行了自洽非线性模拟,分析了H₀₂-H₀₃模式对下磁场系数、电流、电子注速度比对注-波互作用效率的影响。计算结果表明,在合适的腔体结构尺寸下,以及合适的磁场系数、电流、速度比下,注-波互作用效率可达27％。     

220 GHz三次谐波光子带隙谐振腔回旋管振荡器的研究

提出了一种220 GHz三次谐波光子带隙谐振腔回旋管振荡器的物理结构.利用光子晶体高频带隙确定了回旋管高阶电磁模式类TE63和三次电子回旋模的互作用状态.通过非线性理论,研究了腔内类TE63和类TE92模的弱模式竞争,得到了有利于回旋管三次谐波起振的工作条件和起振过程的非线性特征,其结果与粒子模拟基本一致.研究表明,利用光子带隙谐振腔的禁带特征,回旋管中高阶电磁模与高次电子回旋模能够发生有效的互作用关系被得到证实.     

206 GHz光子带隙谐振腔回旋管

分析了光子晶体谐振腔的模式选择功能,实现光子晶体谐振腔回旋管振荡器高阶电磁模与高次电子回旋模的有效耦合,并成功抑制了模式竞争。通过对光子晶体谐振腔禁带特性的分析,定出了工作模式为TE23模,还建立了光子晶体谐振腔回旋管的等效半径的概念,设计了自洽非线性理论和相关的计算机数值模拟程序。研究发现TE23模能有效地与电子的二次回旋谐波相互作用,其耦合频率为206 GHz,并极大地降低了对工作磁场的要求。在考虑诸多物理因素影响的情况下,对该二次谐波光子带隙谐振腔(PBGC)回旋管振荡器进行了参数优化,得到了电压40 kV、电流4.2 A、磁场3.925 T、输出功率35 kW、互作用效率21%的二次谐波TE23模PBGC回旋管振荡器。     

94GHz基波复合腔回旋管数值模拟

通过对94 GHz基波复合腔回旋管中谐振腔结构、电子注参数以及注-波互作用过程的模拟计算研究,分析了复合腔回旋管的高频结构特性和工作参数优化问题.给出了基波H61 -H62模式对复合腔回旋管的模拟设计结果.数值模拟结果表明:在电子注电压40 kV、电流5A、电子横纵速度比1.3、工作磁场3.6T时,回旋管可获得78 k...     

170GHz兆瓦级同轴回旋振荡管的分析计算

回旋管是最有希望应用于正在实施的国际热核实验反应堆计划的微波源器件,然而研究设计符合要求的回旋管还存在很多困难需要解决.对170 GHz兆瓦级光滑同轴回旋管的注-波互作用进行了研究.选取模式谱相对稀疏的TE31,12作为工作模式,利用Matlab编制源程序,计算了同轴回旋管的注-波耦合系数、起振电流.在考虑电子速度零散、腔壁电阻率和单模近似的基础上,对光滑同轴谐振腔的优化设计和注-波互作用进行了仿真,给出了磁场、电压、电流和内导体倾角等参量与回旋管效率的关系.结果表明,电压和磁场对回旋管效率影响较大,电子速度零散对回旋管效率影响较小,因而可降低电子枪的设计要求.此外,优化内导体倾角和同轴谐振腔结构参数可提高注-波互作用效率,降低电子速度零散对互作用效率的影响,获得了约50%的电子效率及1.7 MW输出功率.     

渐变复合腔回旋管高次谐波注-波互作用非线性模拟

利用含电流的传输线方程,在考虑多模与电子注互作用及多模耦合的情况下,对三次谐波渐 变复合腔回旋管进行了非线性模拟,计算了H₅₁-H₅₂模式下三次谐 波注波互作用,分析了多模对注-波互作用的影响. 关键词： 回旋管 渐变复合腔 多模注-波互作用 模式耦合 高次谐波     

回旋行波管动力学分析及数值计算

 以小回旋电子注、均匀截面光滑壁圆柱波导为例,对回旋行波管动力学色散方程作了解析分析和讨论;数值计算和分析了注波互作用耦合系数与电子注参数的相互关系,为优化选择电子注参数,提高注波互作用效率获得了依据。     

94GHz渐变复合腔二次谐波回旋管的设计

根据注-波互作用自洽非线性理论,编写了分析渐变复合腔的计算程序,通过该程序,获得了工作模式对为TE021-TE031的注-波互作用腔体和相关电磁参量的优化结果。应用粒子模拟软件对设计的复合腔进行了模拟,模拟与数值计算结果基本一致。根据计算结果研制了二次谐波回旋管,在加速电压57.5kV、电流10A下,测得其工作频率为94GHz,输出模式为TE01,峰值功率和效率分别为156kW和27.1%。计算、模拟和实验结果基本一致。     

回旋行波放大器输出端反射对注-波互作用的影响

基于回旋行波放大器的非线性自洽理论,研究渐变输出端反射对回旋行波放大器注-波互作用的影响.数值模拟结果表明,对于Ka波段TE₀₁模基波工作回旋行波放大器,渐变输出端渐变角的变化以及互作用长度的改变将导致不同的反射系数幅度和相位,从而影响注-波互作用过程,改变功率演化过程.在输出饱和功率不变的情况下,合理选择输出渐变角,可能可以减小注-波互作用长度,展宽互作用频带. 关键词： 回旋行波放大器 注-波互作用 反射系数     

Influence of Reflections of the Output Port on Beam-wave Interaction in Gyrotron Traveling Wave Amplifier

Based on the nonlinear self-consistent theory of gyrotron traveling wave amplifier (gyro-TWA), the influence of the reflections of the output port with the taper on the beam-wave interaction in the gyro-TWA is studied. The simulation results show that the reflections have great effects on the TE₀₁ mode gyro-TWA operating at the fundamental. The influence of the taper angle and the interaction length on the beam-wave interaction and the power profile is discussed and the corresponding physical mechanism is analyzed. The saturated output power keeps same approximately with the increase of the taper angle in the presence of reflection while the saturated gain decreases obviously.     

Nonlinear Analysis of A Slotted Third-Harmonic Gyro-TWT Amplifier

The distribution of RF field of the slotted cylindrincal waveguide is discussed and the self-consistent nonlinear theory of the beam-wave interaction is presented in this paper.The behavior of the 95-GHz slotted third-harmonic gyrotron traveling-wave amplifier (gyro-TWT) with a uniform section is simulated by a Runge-Kutta algorithm code for an axis-encircling electron beam with velocity spread. Some important relations in the process of the beam-wave interaction are abtained and analyzed.     

特殊三反射镜太赫兹波段准光腔回旋管的动力学理论

基于回旋管线性理论,运用Laplace变换和留数定理的方法,在线性Vlasov-Maxwell方程组的框架下,研究了特殊三反射镜准光腔回旋管的动力学理论.导出了注-波互作用功率、频偏和起振电流公式,运用MATLAB进行了数值运算.结果表明,这种回旋管工作于高次谐波状况下能有较高的互作用功率,具有工作于太赫兹波段的潜力. 关键词： 三反射镜准光腔 太赫兹 回旋动力学理论     

分布损耗对回旋行波放大器稳定性的影响

基于电磁模式的色散方程和回旋管非线性理论,研究了损耗层厚度对回旋行波放大器注-波互作用的影响.结果表明,合理选择损耗层电导率和厚度能够让期待的工作模式TE₀₁衰减较小,而对应的竞争模式TE₂₁因损耗很大而更难以起振,随厚度的增加,放大带宽从两边向中间收缩变窄,频带中间部分的输出功率会上升,曲线更加平坦,从而达到改善互作用稳定性的目的. 关键词： 回旋行波放大器 起振长度 起振频率 饱和功率     

光子带隙谐振腔回旋管振荡器的自洽非线性理论

定义了光子带隙谐振腔(photonic-band-gap cavity, PBGC)的等效半径,论证了使用该半径将PBGC等效为具有模式选择性的金属圆柱谐振腔的有效性,揭示了其在PBGC设计过程中的指导性作用.基于等效半径的运用,建立起光子带隙谐振腔回旋管振荡器(PBG回旋管)的自洽非线性理论,并对工作于TE₃₂模的PBG回旋管作了理论分析和数值计算.目前的研究表明:高频电磁场沿角向呈行波或驻波的不同极化形式对PBG回旋管的注-波互作用过程具有较大的影响;较之电子回旋基波,该器件中二 关键词： 光子带隙谐振腔 等效半径 回旋管 自洽非线性理论