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。     

开孔锁定长脉冲相对论扩展互作用腔振荡器的实验研究

提出并研制成功了开耦合孔锁定的长脉冲、重复频率运行的相对论扩展互作用腔振荡器(REICO)。将数值模拟和实验研究紧密结合,分析了长脉冲REICO实验中模式竞争和脉冲缩短的根源,提出了开耦合孔的三间隙扩展互作用腔结构,有效抑制了长脉冲束流调制的模式竞争和脉冲缩短问题,使调制束流脉宽由60 ns提高到140 ns,调制束流由2 kA提高到5 kA,经过优化REICO参数,使器件的辐射微波功率和效率有了明显提高。采用500 kV/4.2 kA/210 ns/20 Hz的电子束驱动S波段REICO,实现了峰值功率570MW、频率2.89 GHz、脉宽大于160 ns、重复频率20 Hz的辐射微波稳定输出,功率效率27%,能量效率23%。     

长脉冲相对论扩展互作用腔振荡器的初步研究

提出并研制成功了基于渡越时间效应、并开耦合孔锁定的长脉冲、重复频率运行的相对论扩展互作用腔振荡器(relativistic extended interaction cavity oscillator,REICO).将理论分析、数值模拟和实验研究紧密结合,分析了长脉冲REICO实验中模式竞争和脉冲缩短的根源,提出了开耦合孔的三间隙扩展互作用腔结构,有效抑制了长脉冲束流调制的模式竞争和脉冲缩短问题,使调制束流脉宽由60ns提高到140ns,调制电流幅度由2kA提高到5kA,通过优化REICO参数,使器件的辐射微波功率和效率有了明显提高.采用580kV/4·8kA/210ns/20Hz的电子束驱动S波段REICO,实现了峰值功率大于400MW、频率2·89GHz、脉宽大于160ns、重复频率20Hz的辐射微波稳定输出,功率效率27%,能量效率23%.同时,初步开展了注入微波锁定的REICO研究,也获得了功率大于400MW、脉宽大于100ns的微波辐射.     

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。     

重复运行短脉冲S波段相对论速调管放大器

介绍了利用HVG-1二极管产生的强流短脉冲电子束源, 开展短脉冲重复频率为100Hz的S波段相对论速调管放大器(RKA)实验研究. 利用无箔空心石墨阴极和0.82T的恒流源引导磁场, 引出了电压约700kV、电流约6.5kA、脉宽(半高宽)25ns的环形电子束. 该电子束经过输入腔和中间腔的调制后, 得到了5kA/22ns的 基波调制电流. 经过输出腔后, 得到了大于1GW/20ns的辐射微波, 频率2.95GHz, 平均功率2.4kW, 效率约24%, 增益34dB. 没有观察到限制该GW级功率水平的S波段RKA的因素.     

长脉冲X波段多注相对论速调管放大器的初步实验研究

设计了工作在长脉冲的X波段同轴强流多注相对论速调管放大器, 对长脉冲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束流调制以及经过输出腔的微波提取等过程进行了实验研究, 采用了相应的设计措施以减轻实验中出现的脉冲缩短现象, 得到了初步的长脉冲实验结果. 在输入微波功率60 kW、频率9.378 GHz、电子束电压700 kV、束流4.2 kA、轴向引导磁感应强度1 T的条件下, 重频5Hz输出微波功率为670 MW, 脉宽89 ns, 效率为23%, 增益为40 dB, 输出微波频率与输入微波一致. 从实验上验证了几十千瓦级输入微波驱动X波段同轴多注RKA输出几百兆瓦长脉冲高功率微波的可行性, 为后续更高功率研究打下了基础.     

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。     

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。     

S波段多注相对论速调管放大器长时间运行研究北大核心CSCD

为了实现高功率微波源低磁场及长时间稳定运行,开展了S波段GW级多注相对论速调管放大器(RKA)的理论模拟设计与实验研究。首先,采用一维大信号非线性理论软件优化设计了S波段4腔多注RKA,找到了器件工作的最佳参数:采用电压550 kV、束流4.7 kA的14注RKA,获得功率1.1 GW、效率43%的输出微波。随后,采用粒子模拟软件对理论设计的束波互作用参数进行了验证,获得了输出功率992 MW,器件效率为37%。最后,根据模拟参数开展了器件重频长时间运行实验研究。采用紧凑同轴Marx功率源驱动S波段四腔多注RKA,在电压530 kV、束流5.4 kA、重频20 Hz、运行时间1 s、引导磁场强度0.39 T、注入微波功率1.7 kW的条件下,获得了功率934 MW、脉宽69 ns的输出微波,束波转换效率33%。在器件重频20 Hz、运行时间10 min条件下,坚实了平均功率889 MW、平均脉宽42 ns的输出微波。该研究结果为S波段RKA的低磁场和长时间运行打下了的技术基础。     

宽谱窄脉冲高功率微波产生的初步研究

为了探索短电脉冲产生高功率微波技术,采用理论和粒子模拟方法分析了短电脉冲(脉宽不大于30ns)驱动S波段相对论扩展互作用腔振荡器(REICO)产生高功率宽谱的技术可行性,开展了原理性的实验验证。采用Marx发生器产生的前沿15ns、后沿30ns、电压560kV、束流2.8kA的类三角形电子束脉冲激励REICO,模拟产生了410MW、脉宽8ns、相对瞬时带宽2.7%的微波,实验输出了160MW、脉宽10ns、中心频率2.75GHz、瞬时相对带宽2.8%的高功率微波。     

S波段长脉冲相对论速调管重复频率运行稳定性研究

为了进一步提高S波段高功率强流长脉冲相对论速调管放大器(RKA)的重复频率稳频稳相运行的性能,采用实验结合理论和模拟的方法,分析了其主要制约因素,特别分析了造成器件脉冲缩短和重复频率运行不稳定等问题的根源。研究结果表明,RKA中的中间腔和输出腔的电子反射、电子散焦轰击腔体鼻锥是造成脉冲缩短、重复频率运行不稳定的主要根源。通过采用大漂移管半径的器件结构、在漂移管中加载吸波材料以及引导磁场位形、采用电子发射较均匀的碳/碳复合阴极材料等措施,使杂频振荡、脉冲缩短和重复频率工作不稳定性等问题得到了明显减轻,输出微波相位稳定性得到显著提高。采用电压830 kV、束流7.7 kA、脉宽190 ns的环行电子束驱动S波段3腔RKA,重复频率25 Hz运行得到了峰值功率1.55 GW、脉宽163 ns、相位抖动18°(rms)的输出微波。     

锁频锁相的高功率微波器件技术研究

综述了中国工程物理研究院应用电子学研究所锁频锁相的高功率微波器件最新研究成果,主要包括稳频稳相的相对论速调管放大器和注入锁相的相对论返波管振荡器.针对高功率长脉冲相对论速调管研究中遇到的问题,介绍了该放大器的束波互作用特点、杂频振荡抑制、脉冲缩短、高频段高功率运行、高增益等物理、设计与实验中的关键技术研究概况,使其功率、相位稳定性、增益等性能有了显著提高,S波段环形单注相对论速调管实现了高功率稳相输出,重频25 Hz运行时输出功率大于1 GW,脉宽大于150 ns、相位波动18°,高增益运行时在注入微波功率数kW条件下也实现类似功率和相位水平;采用同轴多注器件结构,突破了速调管高频段运行条件下高效率电子束引入和高功率束波转换技术等难题,使X波段相对论速调管在注入功率30 kW条件下实现了功率大于1 GW的放大输出,效率为34%,相位波动为15°.在掌握相对论返波管技术的基础上,利用返波管的高效率和结构紧凑的优点,开展了注入调制电子束锁相的相对论返波管研究,采用百kW级的种子微波实现了对GW量级输出微波的相位锁定.该研究结果对功率合成、粒子加速和多功能雷达等技术具有重要的推动作用.     

碳碳复合阴极在相对论速调管放大器中的应用北大核心CSCD

研制了一种碳纤维分布具有高取向性的碳碳复合材料,并采用该材料制作的阴极开展了相对论速调管放大器的实验研究。实验结果表明:碳碳复合阴极爆炸发射的点火机制以尖端场增强为主,运行1000发后碳纤维结构稳定,重复频率25Hz运行时输出微波功率大于1GW,脉冲宽度大于100ns,阴极发射电流密度约3.82kA/cm2。碳碳复合阴极在启动速度、电流延迟时间及阻抗特性等方面性能还有待进一步的研究。     

A high-power vircator based on an ironless linear induction accelerator of electrons

A high-power vircator that is based on the Korvet ironless linear induction electron accelerator built around radial pulse-forming lines is implemented for the first time. Results on the computer simulation and experimental optimization of the vircator are discussed. The experimentally found parameters of the vircator are the following: cathode current 35 kA (at a limit current of 19 kA), microwave pulse base widths 40 and 18 ns, and peak microwave power more than 500 MW.     

Investigation of an X-band magnetically insulated transmission line oscillator

An X-band magnetically insulated transmission line oscillator （MILO） is designed and investigated numerically and experimentally for the first time. The X-band MILO is optimized in detail with KARAT code. In simulation, the X-band MILO, driven by a 720 kV, 53 kA electron beam, comes to a nonlinear steady state in 4.0 ns. High-power microwaves （HPM） of TEM mode is generated with an average power of 4.1 GW, a frequency of 9.3 GHz, and power conversion efficiency of 10.870 in durations of 0-40 ns. The device is fabricated according to the simulation results. In experiments, when the voltage is 400 kV and the current is 50 kA, the radiated microwave power reaches about 110 MW and the dominating frequency is 9.7GHz. Because the surfaces of the cathode end and the beam dump are destroyed, the diode voltage cannot increase continuously. However, when the diode voltage is 400 kV, the average power output is obtained to be 700 MW in simulation. The impedance of the device is clearly smaller than the simulation prediction. Moreover, the duration of the microwave pulse is obviously shorter than that of the current pulse. The experimental results are greatly different from the simulation predictions. The preliminary analyses show that the generations of the anode plasma, the cathode flare and the anode flare are the essential cause for the remarkable deviation of the experimental results from the simulation predictions.     

高功率跨波段相对论速调管放大器模拟设计

设计了一种能在S波段和C波段实现稳定输出的高功率相对论速调管放大器,并使用电磁粒子PIC程序进行了模拟研究。模拟结果表明:采用700 kV,4 kA的电子束,在注入微波功率340 kW、注入微波频率分别为2.8 GHz和3.2 GHz的条件下,通过合理选择输入腔和中间腔的结构和工作模式、调节器件输出腔的腔长,模拟实现了S波段（3.2 GHz）和C波段（5.6 GHz）分别为1 GW和490 MW的微波输出,束波转换效率分别约为35%和17%。     

Microsecond Microwave Radiation Bursts from a Relativistic Electron Beam Rotating in a Plasma

Coherent curvature radiation from an intense relativistic electron beam rotating in a plasma yielded in the past [1] only very short bursts of microwave radiation. Here we report on extension of the microwave-burst duration to the full width of the beam pulse for two different electron beams: a) 1 MV, 50 kA, 110 ns b) 0.6 MW, 15 kA, 1 , ?s. We show that the short bursts in the past resulted from sudden changes in the plasma density caused by ionization of neutrals, present in the drift tube, by the beam itself. This density change caused a shift away from the resonance condition necessary for coherent radiation. The extension of the pulsewidth was achieved by introducing a plasma gun which did not emit many neutrals. The radiation is mostly in the Ka band (? ? 1 cm) and the power level was ~1 MW.