吉瓦级强流相对论多注电子束二极管的优化设计与实验研究

多注相对论速调管放大器可在较高的工作频段实现GW级功率微波产生,在很多领域得到了发展和应用.多注相对论速调管中强流相对论多注电子束相互之间存在空间电磁场的作用,使得多注电子束从二极管引入多注漂移管,以及在多注漂移管中的传输运动受到影响,导致电子束会轰击到管壁上,早期实验中多注电子束的传输通过率较低.本文对功率数GW的强流相对论多注电子束在二极管与多注漂移管中的运动过程进行了理论分析与粒子仿真模拟,得到强流相对论多注电子束的传输运动规律.对多注二极管的结构进行了优化设计,仿真设计实现强流相对论多注电子束的传输通过率达到99%,并且开展了验证实验研究,实验在电子束电压为801 kV,电流为9.3 kA的情况下,电子束的传输通过率达到92%.     

L波段相对论速调管放大器研究

 介绍了L 波段强流相对论速调管放大器高频系统的设计, 强流相对论空心电子束的产生、传输、调制及微波输出等的初步实验结果。在直线感应加速器上, 利用无箔空心石墨阴极, 引出了电压约500kV、电流4. 5kA、直径54. 5mm、厚度4. 5mm 的空心电子束, 经过三腔放大后, 得到了536MW 的微波峰值功率, 效率21% , 增益30dB。     

强流相对论环形电子束自调制振荡研究

 主要研究了强流相对论环形电子束在等位谐振腔内的非线性自调制振荡，用小信号理论分析了电子起振的条件，得出了电子起振的扰动频率。基于该理论分析，又提出了一种不外加磁场的新型高功率微波器件，该器件主要由一个圆柱谐振腔和一个同轴波导输出腔构成。用2.5维MAGIC粒子模拟软件对该非线性过程进行数值模拟，分析了输入电压、电流对输出微波功率的影响。模拟结果表明这种结构中确实存在非线性不稳定性，自调制的扰动频率则由电子束的初始能量、电荷密度和电子束的半径以及谐振腔的空间结构给定。利用谐振腔长为4.7 cm、二极管电压为2.8 MV、电流为20 kA的电子束，可以得到频率为4.29 GHz、功率为6 GW的微波输出，束-波转换效率约为11%。     

X波段同轴多注相对论速调管放大器的初步实验研究

为了提高相对论速调管放大器的工作频率和输出功率,结合三重轴相对论速调管和多注速调管的特点,设计了工作在X波段的同轴强流多注相对论速调管放大器,对强流多注电子束在多注器件结构中的传输、电子束经过输入腔和中间腔后的基波调制以及经过输出腔的微波提取过程进行了实验研究,得到了初步的实验结果.在输入微波功率30 kW,频率9.375 GHz,电子束电压670kV,束流5.3 kA,轴向引导磁感应强度0.8 T的条件下,得到了最大输出微波功率为420 MW,效率为12%,增益为41 dB,输出微波频率与输入微波一致.实验证实了采用同轴强流多注相对论速调管放大器实现X波段高功率微波放大的可行性,为后续更高功率研究打下了基础.     

强流电子束阻抗对相对论速调管放大器注入及群聚特性的影响分析

通过数值计算及粒子模拟程序, 分析了强流电子束阻抗、电压及电流特性对相对论速调管放大器(relativistic klystron amplifier, RKA)中束流调制、群聚特性的影响, 其中粒子模拟程序中采用 束发射方式以精确控制电子束的阻抗.结果表明, 低阻抗电子束有利于减小群聚距离, 缩短RKA器件的整体长度, 不利于注入微波对电子束的调制, 而高阻抗电子束情况正好相反.在电子束阻抗不变时, 增加电子束加速电压类似于增大电子束阻抗的情况.另外, 用粒子模拟方法确定了不同阻抗电子束对特定输入腔的电子负载电导, 从而可以得到不同阻抗的强流电子束对种子源 功率水平的需求以及对输入腔外观品质因数的要求. 关键词： 相对论速调管放大器 电子束阻抗 群聚距离 输入调制     

长脉冲相对论速调管放大器的初步实验研究

 介绍了L波段长脉冲相对论速调管放大器(RKA)的强流相对论电子束(IREB)的调制及微波提取等方面的实验研究。重点分析了束流经过中间腔间隙调制后束流脉冲缩短和输出微波脉冲缩短问题，经过对注入微波、中间腔和输出腔等参数的调节，得到了比较强的基波调制电流和微波辐射。采用446kV/3.0kA/1.4μs的空心电子束，经过四腔放大后，得到381MW/200ns的辐射微波，束波转换效率28%，增益34dB。     

相对论速调管中间腔与调制电子束间的非线性互作用

在强流相对论电子束驱动的相对论速调管放大器中, 由于强流和高场强的影响, 尤其是中间腔具有高Q值, 微波腔与电子束之间的非线性作用很明显, 严重影响器件性能. 根据麦克斯韦方程组以及电子在微波场作用下运动方程给出了中间腔的束-波互作用自洽方程. 从这些方程出发, 研究了调制深度和调制频率对间隙电压幅度和相位的影响. 对比常规速调管的等效电路模型, 自洽公式给出的间隙电压幅值同粒子模拟结果更接近, 尤其是较高调制深度的情况. 同时器件带宽随调制深度的增加而变宽, 这也同粒子模拟结果一致. 由此设计了一个S波段高增益相对论放大器, 在LTD (长脉冲螺旋线)加速器上开展了相应的实验工作, 实验上获得了1.1 GW的输出功率, 器件增益49 dB. 关键词： 相对论速调管 非线性互作用 自洽方程     

C波段相对论速调管放大器3维整管模拟研究

 建立了带输入、输出波导结构的C波段相对论速调管放大器3维整管模型,利用3维软件对其高频特性进行了数值计算研究,对整管结构进行了优化设计。并用3维PIC程序对电子束经过输入腔后的束流调制、注入微波的吸收情况、中间腔对束流的调制以及输出腔后微波提取情况进行了模拟研究。模拟结果表明：输入腔与微波注入波导匹配较好,注入微波能被电子束和谐振腔很好吸收,在输入腔间隙后20 cm处得到了11%的基波电流调制深度;在中间腔后15 cm处得到了约76%的基波电流调制深度;在中间腔后电流调制最强处加上输出腔,提取到800 MW的输出微波,效率26%。     

S波段长脉冲相对论速调管放大器的实验研究

 介绍了S波段强流长脉冲相对论速调管放大器（RKA）的高频系统设计、长脉冲强流相对论电子束(IREB)的调制及微波提取等方面的实验研究结果。重点阐述了长脉冲IREB调制和输出微波中的自激振荡问题。通过采用高阶工作模式以及参差模式设置的谐振腔、提高系统安装的同心度和调节电子束参数等措施，使自激振荡得到了抑制。采用550 kV，4 kA及210 ns的环行电子束，经过优化调节RKA参数，使强流调制电子束流脉宽由50 ns增加到150 ns，同时得到了3.2 kA的基波调制电流。从该RKA得到了峰值功率580 MW、脉宽140 ns的输出微波，束波转换效率26%，增益34 dB。     

环形电子束X－波段相对论速调管实验研究

相对论速调管放大器试验中，采用强流环形电子束，可提供器件更大的脉冲功率，虽然电子束－微波转换效率有所降低，但可望获得更大的辐射功率．另外，研究表明由于采用环形电子束，相互作用间隙中出现静电绝缘现象，有助于提高腔的功率容量而避免打火现象．我们利用为实心束而设计的相对论速调管放大器，适当改变有关参数，获得大于５ＭＷ的微波输出，电子束参数为５５０ｋｅＶ，５００Ａ．     

S波段相对论速调管放大器同轴输出腔的数值模拟

 介绍了S波段强流相对论速调管放大器（RKA）同轴输出腔内束波转换效率和腔主要参数的计算、微波提取的粒子模拟和优化以及实验。模拟计算时，采用单间隙的同轴输出腔，束压580 kV、束流4 kA的环行电子束，基波调制深度为80%，利用3维粒子程序得到约500 MW的微波输出功率，效率21.5%。将该模拟结果应用于实验的设计，实验中采用束压550 kV、束流4 kA的电子束得到功率500 MW、脉宽120 ns的输出微波，束波转换效率22.7%，实验结果与模拟结果吻合较好。     

S波段速调管双间隙输出腔的设计和实验研究

 介绍了S波段强流相对论速调管放大器(RKA)双间隙输出腔高频系统的设计,并利用3维粒子模拟程序模拟和优化了短脉冲强流相对论调制电子束经过双间隙输出腔后的微波提取。在束压640 kV、束流6 kA、基波调制深度80%的条件下,模拟得到功率为1.1 GW的微波,频率约为2.85 GHz,效率28%。在高频分析和粒子模拟的基础上进行了实验研究,实验中采用束压640 kV、束流6 kA的环行电子束,经过优化调节RKA参数,在中间腔后得到了约4.6 kA的基波调制电流,加上双间隙提取腔后从该RKA获得了频率为2.9 GHz、功率为1 GW、脉宽22 ns的输出微波,束波转换效率26%。     

新型高功率径向强流速调管振荡器

 提出了一种新结构的高功率径向强流速调管振荡器,该器件利用折叠式同轴谐振腔的微波场与接近空间电荷限制电流的径向电子束强烈相互作用产生高功率微波。首先对这种器件的实现机理进行了初步的分析，提出了有间隙电压情况时的径向同轴间隙的空间电荷限制电流1维近似估计模型。分析表明：对于电子束直流接近但小于直流空间限制电流的径向速调管，当有调制间隙电压时，空间限制电流要小于无调制间隙电压情况下的直流空间限制电流，径向强流电子束电流接近和超过空间电荷限制电流时会出现强烈的调制。然后用PIC程序对其特性进行了粒子模拟，在二极管输入电压500 kV、电子束电流为30 kA条件下，最终得到了峰值功率6 GW、频率1.3 GHz的微波输出。     

高功率微波器件中脉冲缩短现象的粒子模拟

脉冲缩短是高功率微波器件的一个普遍现象，它阻碍了输出微波能量的进一步提高，是高功率微波研究领域中急待解决的问题.以相对论返波管作为研究对象，运用粒子模拟的方法，研究了器件表面的爆炸发射、电子束电压和电流的脉动对输出微波性能的影响，从中得到了一些有益的结论，指出由强电场引起的慢波系统表面的爆炸发射是产生脉冲缩短的重要因素 ，电子束电流和束电压的脉动也会引起脉冲缩短，并提出了相应的克服方法. 关键词： 高功率微波器件 相对论返波管 脉冲缩短 粒子模拟     

S波段相对论速调管振荡器的实验研究

 在20 GW加速器平台上开展了S波段相对论速调管振荡器（RKO）的单次和重复频率束流调制和微波辐射的实验研究。采用无箔空心阴极和0.9 T的恒流源磁场引出束压1 MV、束流13 kA、脉宽40 ns的环形电子束驱动RKO,该电子束经过3个紧密耦合的扩展互作用腔再经过一段漂移管的群聚后,产生了7.8 kA/20 ns的基波调制束流,该调制束流激励三轴输出腔,单次运行输出了3.5 GW的微波辐射,束波转换效率29%,脉宽20 ns;脉冲重复频率20 Hz运行时,输出微波功率3.4 GW,束波转换效率26%。该振荡器具有起振时间快、输出频谱较纯和结构紧凑等优点。     

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。     

X波段准周期加载微波腔研究

 准周期加载微波腔的基本结构是周期结构，在强引导磁场作用下，强流电子束同微波强作用产生高功率微波；作用过程分为三个阶段：电子俘获、群聚和换能；而周期结构的作用主要在于电子俘获。适当设计的结构，不仅束波转换效率高，而且对电子束质量（如能散）的要求也不高。从微波场对电子运动的影响，研究了电子束在微波腔中的俘获、群聚和换能的束波互作用过程。基于760kV，7kA的环形电子束，采用准周期加载微波腔结构，在模拟上获得了X波段（9.3GHz）峰值功率为1.3GW的微波输出，效率接近24%。