光学相关论题

电子光学O463.12007021959高峰值功率多注速调管电子光学系统的研究=Electro-op-tical systemin high peak power multi-beam klystron[刊,中]/张瑞(中科院电子学研究所.北京(100080)),王勇//强激光与粒子束.-2006,18(9).-1519-1523分析了存在于高峰值功率多注速调管电子光学系统中的问题。采用间接设计方法设计了S波段50MW多注速调管的电子光学系统。设计中采用分立屏蔽筒结构解决电子枪区聚焦场的旁轴对称问题。利用二维电子光学软件EGuN、三维电磁模拟软件MaFIA和PIC粒子模拟程序对电子轨迹进行了模拟,结果表明,分立屏蔽筒结构可以…     

高峰值功率多注速调管电子光学系统的研究

 分析了存在于高峰值功率多注速调管电子光学系统中的问题。采用间接设计方法设计了S波段50 MW多注速调管的电子光学系统。设计中采用分立屏蔽筒结构解决电子枪区聚焦场的旁轴对称问题。利用2维电子光学软件EGUN、3维电磁模拟软件MAFIA和PIC粒子模拟程序对电子轨迹进行了模拟，结果表明：分立屏蔽筒结构可以获得较好的旁轴对称场，电子光学系统的电子轨迹比较理想。     

小型化加速器用X波段多注速调管

传统的医疗及工业用直线加速器系统中一直使用磁控管作为功率源,特别是一些紧凑型加速器系统中,磁控管因为其尺寸与重量的优势成为唯一选择。通过利用多注速调管的低电压、尺寸小、重量轻的特点,研制成功功率量级远超磁控管同时尺寸重量接近的多注速调管,这将会为医疗及工业领域带来新的应用模式与产品类型。为满足医疗及工业辐照用中低能电子直线加速器的需求,近年来已研制出各类型高峰值功率速调管,在癌症治疗、无损检测、工业辐照等方面获得了广泛应用。介绍了一种小型化加速器用X波段多注速调管,其具有工作电压低、效率高、体积小、重量轻等特点,可应用于中低能放疗设备及小型化无损检测整机的加速器系统中。本管研制中重点解决了一体化线包聚焦、集成式冷却等技术,样管尺寸为Φ200 mm×400 mm,重量为25 kg。三支样管测试已可稳定获得峰值输出功率3 MW。     

70 GHz二次谐波倍频回旋速调管研究

 对70 GHz二次谐波倍频回旋速调管高频结构和电子与波互作用进行了研究。研究了TE02模腔体绕射品质因数及模式转化，解决了二次谐波倍频回旋速调管漂移段不能截止70 GHz的TE01模而引起的腔体间高频串扰的问题。分析了注电流、输入功率、电子横纵速度比和电子注引导中心半径等参数对输出功率、增益和效率的影响。针对二次谐波回旋速调管放大器工作频带窄、效率低，进行了高频结构优化设计，显著地展宽了工作频带，提高了互作用效率。在理论分析和高频计算的基础上，建立了注-波互作用PIC（粒子模拟）模型，进行了粒子模拟计算和优化，得到了70 GHz 的二次谐波倍频四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟结果表明：在工作电压70 kV，注电流13 A，电子注横向速度与纵向速度比为1.5时，中心频率69.81 GHz输出功率256 kW，带宽160 MHz，电子效率28%，饱和增益大于44 dB。     

多注速调管的3维数值计算

 用KARAT-3D全电磁PIC程序，对多注速调管设计模型波束相互作用的物理过程进行3维数值模拟，给出了输出功率、电流等基本的物理参数。在输入电压14 kV，电流20.8 A时候，得到了128 kW的峰值输出功率，峰值效率是43.8％。考察了电子在高频场的运动和电流调制，分析了电流在各互作用腔中的调制，并对多注速调管不同发射度时电子传输进行了研究。结果表明：电子均匀发射时高频场的调制对电流传输效率影响不大，电流和电场调制随着腔的增加而增加。电子能量在输出腔的位置减小很多，电子有一部分能量转化为微波。     

反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管

反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管作为加速器系统的功率源，具有脉冲输出功率高、平均功率大、寿命长的优势，在工业辐照、放射治疗、无损检测等领域具有广阔的应用前景。设计并研发了一种可用于加速器系统的反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管。其电子光学系统采用多电子注、周期反转永磁聚焦技术，高频系统工作在TM₂₂₀高次模式、多腔参差调谐，散热采用水冷方式。通过计算确定了结构参数，研制出速调管样管，通过测试，获得了大于3 MW的峰值输出功率，和计算结果相吻合。     

8 mm二次谐波回旋速调管非线性分析

 对8 mm二次谐波回旋速调管中的注-波互作用，进行了PIC模拟计算，得到了高频结构尺寸、电子注参数、聚焦磁场等参数对输出功率、效率和增益的影响规律。在磁场系数0.511 8，电子注电压70 kV，电子注电流约16 A，输入功率约80 W时，得到约430 kW的输出功率，电子转化效率38%，超过37 dB的增益，3 dB带宽超过210 MHz。     

回旋速调管注-波互作用非线性理论研究

 利用自洽非线性理论对回旋速调管放大器中的电子注-波互作用进行了时域瞬态分析,建立了多腔回旋速调管非线性理论,给出了相应的电子运动方程和复数形式的互作用瞬态场方程。给出并分析了一支工作在TE01模Ka波段四腔回旋速调管注-波互作用的数值计算结果,当电子注电压为72.8 kV,电流为11.8 A,速度零散为5%时,可以得到335 kW的最大饱和功率输出,39.6%的电子效率及320 MHz的饱和带宽,与实验值相比较,二者较为吻合。     

L波段高功率多注速调管设计与模拟

 开展了峰值功率10 MW、平均功率150kW的L波段多注速调管的研究工作。采用均匀场多透镜聚焦系统对多电子注进行聚焦,获得了具有良好层流性和波动性的旁轴多注电子光学系统;采用二次谐波腔,对6个电子注、6个同轴谐振腔结构的速调管进行了注波互作用计算。结果表明,当电子注电压为115 kV,电流为132 A时,可获得大于10 MW的脉冲输出功率,大于65%的输出效率和大于45 dB的增益。     

G波段500 W带状注扩展互作用速调管设计研究

针对太赫兹频段实现高功率面临物理机制上的难题，设计了一个G波段带状注速调管，展示了基于非相对论带状电子注和扩展互作用技术所能达到的功率水平以及影响性能的物理因素。文中设计基于电压24.5 kV、电流0.6 A，1 mm×0.15 mm的椭圆电子注，以及与之相匹配的互作用系统，即横向过尺寸哑铃型多间隙谐振腔，可以实现高功率和高增益。三维PIC仿真结果显示，在考虑实际腔体损耗的情况下，能够获得超过500 W的功率，电子效率和增益分别达到3.65%和38.2 dB。研究发现，输出功率和效率的提升很大程度上受到多间隙腔模式稳定性以及电路欧姆损耗的制约；输出腔的欧姆损耗对输出功率影响尤为显著，工程设计需要特别考虑。本文的研究为高频段带状注扩展互作用器件的研发打下了良好的基础。     

S波段超宽带高平均功率多注速调管的研制

介绍一种新型超宽带（相对带宽≥17%）S波段大功率多注速调管的研制过程及研制成果，该速调管首次在S波段实现了17%的相对带宽，带宽指标为国内宽带多注速调管首次实现。通过优化电子光学系统和高频段的参数设计、优化电子枪区的结构设计、优化整管散热系统设计等多项措施，提高电子注流通率及注波互作用效率，降低高频部分的散热压力，使该速调管仅在120 kW的峰值功率下实现了大于30%的效率及40 kW的平均功率。同时，通过近似连续波阴极发射电流密度的低阴极负荷设计、阴极区零部件多项预处理工艺措施等实现了3 ms脉宽的稳定工作及连续24 h稳定工作不打火。为实现3 min内满功率输出及2000 h的寿命，对阴极工作参数、电子枪区的工艺结构进行了反复优化。本项目在能够实现指标的前提下，进行了小批量的生产及车载环境的环境试验，并针对可能产生的不可靠性因素，进行了改进，使产品真正能实现工程化应用，为后续同类产品的设计提供有效的技术参考。     

X波段50 MW速调管的研制

介绍了一种X波段高峰值功率速调管的研制方案,目前该管在X波段已经实现脉冲输出功率50 MW,效率57%,脉宽达到3.6μs。通过COM法、圆波导行波窗、防晕环和陶瓷覆膜等关键技术的应用,解决了高效率、高峰值功率容量和高可靠性等难题。尤其是采用COM法优化电子注群聚,与采用二次谐波群聚法相比,在同样的高频管体长度下,可将互作用效率进一步提高10%左右。产品研制成功,将国内X波段速调管的功率水平由3 MW提升至50 MW,产品性能已达到国际先进水平。     

采用组合引导磁场的多注二极管设计

分析了采用单一同轴磁场时强流相对论多注阴极的侧端发射问题,研究了在不同磁场内半径和多注漂移管长度情况下多注电子束的传输效率。研究发现:由于引导磁场尺寸有限,高压下多注阴极杆及多注阴极柱的电子束发射是影响多注电子束传输效率的主要因素,且该部分电子束对多注漂移管入口管壁的轰击直接影响了多注速调管的重频能力。设计了采用永磁铁和同轴磁场组合工作的强流相对论多注二极管,理论分析和模拟计算证明:基于组合磁场的多注二极管可明显减弱甚至抑制多注阴极发射球头以外的电子束发射,并且组合磁场的磁场位形和强度可满足强流相对论多注电子束的高效、稳定传输。     

Ka波段带状注相对论扩展互作用速调管放大器的分析与设计

带状注相对论扩展互作用速调管放大器是一种高功率、高频率的微波毫米波放大型器件, 具有广阔的应用前景. 本文分析了扩展互作用结构多间隙谐振腔的渡越时间效应, 推导了2π模场情况下谐振腔的能量交换系数和电子负载电导, 且通过计算表明工作在2π模式三间隙腔的电子负载电导是单间隙腔的9倍左右, 多间隙结构有利于提高器件效率. 利用三维粒子仿真软件, 对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用速调管放大器进行了模拟研究, 采用宽高比为30:1的带状电子束以降低空间电荷效应, 在电子束电压为500 kV, 束流为1 kA, 轴向引导磁感应强度为0.8 T的情况下, 器件输出微波功率为190 MW, 频率为40 GHz, 器件效率为38%, 器件增益为69 dB.     

400 kW高压全固态电源实验研究

 介绍用于高功率微波器件测试的400 kW 脉冲步进调制器高压全固态电源调试和应用研究，包括当负载过荷时使系统切断高压保护速度提高到10 μs内的方法；故障时进入弧道能量的研究；通过改变接地方式对系统管体电流波形测量的影响研究。实验表明：这种原理的大功率全固态电源具有突出的抗干扰性，并且维修方便，效率高，是大功率微波器件热测台的优选方案。     

常规速调管空间功率合成微波源

基于常规速调管,研制了用于开展空间功率合成实验的微波源系统。介绍了50 MW超大功率速调管发射机的系统组成、大功率速调管、相位控制及高功率测试系统等。重点阐述了超大功率速调管发射机的关键技术,并针对超大功率发射机的设计难点提出了具体的解决方案。为提高超大功率发射机的可靠性,设计了基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）的感应叠加型全固态调制器。给出了超大功率发射机的测试结果,并探讨了超大功率速调管发射机的改进方法。最后对基于常规速调管,研制用于空间功率合成微波源系统的发展进行了展望。