C波段相对论磁控管的三维粒子模拟研究

利用场论的方法推导了6腔扇形腔结构相对论磁控管的色散关系,并用牛顿迭代法对色散关系进行了求解,得到了色散关系曲线.利用三维PIC粒子模拟,对该结构的相对论磁控管分别进行了冷腔和热腔研究,冷腔研究得到了7π模谐振频率为2.42GHz,与本文理论推导的色散关系有很好的一致性.在热腔情况下,电子能量为437keV,电子束流为12.2kA,外加磁场为0.6T,模拟得到了频率为4.5GHz,平均峰值功率为0.96Gw的C波段的高功率微波输出,分别通过相空间图和不同腔内射频场随时间的变化曲线可以确定器件工作在2π模,效率约为18%,且频谱纯净.当进一步对参数进行优化后,在注入的电子能量和电子束流分别为1.05MeV和20.7kA,外加磁场为0.7T时,得到平均功率达到约4.4GW,频率为4.37GHz微波输出,效率约为20%.     

扇形腔旭日型磁控管结构的理论分析与数字模拟

利用场分析法推导了扇形腔旭日型磁控管的色散关系, 通过CST模拟软件验证了理论推导的正确性, 分析了扇形腔旭日型磁控管的各项结构参数对π 模截止频率和模式分隔度的影响. 研究表明: 色散关系的理论值与模拟值之间的最大相对误差不到3%, π 模截止频率的理论值与模拟值之间的最大相对误差不到1%; π 模截止频率f_πc与阴极半径R_c, 阳极半径R_a, 大腔张角2θ₁成正比关系, 与小腔半径R_d0, 大腔半径R_d1, 小腔张角2θ₀成反比关系, 这一定性结论与同腔型磁控管的定性结论并不完全一致; 在径向比较上, 结构参数对频率的影响由大到小依次为: 阳极半径, 大腔半径, 小腔半径和阴极半径; 在角向比较上, 大腔张角对频率的影响较大, 小腔张角对频率的影响较小; 另外, 模式分隔度γ 与大腔半径R_d1成正比关系, 与阴极半径R_c, 小腔半径R_d0, 小腔张角2θ₀成反比关系, 随阳极半径R_a或大腔张角2θ₁的增大先增大后减小. 关键词： 旭日型磁控管 扇形谐振腔 色散关系 场分析法     

5.8GHz磁控管的数值模拟和实验研究

C波段高稳定度磁控管是目前磁控管的研究重点。对5.8GHz磁控管进行模拟研究,冷腔计算磁控管π模频率为5.863GHz,阳极用双端双隔模带结构磁控管的工作频率与相邻模式频率分隔度为44%。模拟磁控管输出频率为5.856GHz,输出微波功率约1.2kW。对研制的磁控管进行注入锁定实验研究,输出微波功率1.047kW,效率约为58%。磁控管锁频锁相后输出的频率和相位稳定。     

A6磁控管谐振系统的计算与模拟分析

 利用等效电路法和高频分析软件（HFSS）对A6相对论磁控管谐振系统进行了理论计算与模拟分析，着重考虑了相对论磁控管端帽的引入对谐振频率的影响。模拟和冷测均表明：相对论磁控管端帽的引入将对谐振频率造成一定影响，在端帽的某些尺寸下，同一模式将会分裂出两个谐振频率。这将加剧磁控管内部的模式竞争而不利于磁控管的工作。     

透明阴极实现相对论磁控管跳频的仿真北大核心CSCD

基于一个6腔同腔结构相对论磁控管,透明阴极金属条个数与磁控管腔数相同时相对论磁控管易于工作在2π模式,减少为腔体数目一半时易于工作在π模式,提出了旋转扇形透明阴极金属条角向位置实现相对论磁控管中心频率跳变的方案.经仿真优化,设计了外径15mm,6个扇形金属条的透明阴极,每个扇形金属条的角向宽度为20°.运用粒子模拟软件,仿真分析了角向位置金属条与阳极块相对应及金属条与谐振腔相对应两种情况,在工作磁场保持0.75T,调节工作电压在600~800kV 内变化时,模拟结果表明,相对论磁控管可以很稳定地分别工作在2π模式和π模式,即通过旋转透明阴极实现相对论磁控管频率跳变.     

可调谐相对论磁控管调谐带宽的优化

 在以10腔旭日结构为方案的可调谐相对论磁控管中，分析了热腔下对磁控管性能有重要影响的零模成分与模式隔离因素，结合零模成分的形成原因以及轴向频率分量对调谐范围的影响，提出了调整大、小腔等效阻抗和体积，开放阳极端面,从而减小零模分量及增加调谐带宽的措施。CST模拟表明，通过这些优化，可调谐相对论磁控管的调谐带宽从最初的380 MHz提高到900 MHz。     

2π工作模式下可调谐同轴辐射相对论磁控管的模拟研究

采用三维粒子模拟,开展了2π工作模式下同轴辐射相对论磁控管的频率调谐研究.利用在互作用区的谐振腔中填充固体电介质来实现器件的频率调谐.通过改变电介质的相对介电常数以及内半径考察了所研究的同轴辐射相对论磁控管的工作频率、平均输出功率以及效率的变化情况,并对电介质的频率调谐作用进行了简单的理论分析.模拟结果表明:在不改变基本结构参数以及工作点的情况下,仅调整固体电介质的相对介电常数或内半径实现了所研究的同轴辐射相对论磁控管S波段到L波段的跨频段调谐;电介质的插入同时也改善了输出性能,当相对介电常数在6–15且内半径在4.18–4.40 cm之间时,功率效率得到提升,提升幅度可达80%,单边调谐宽度小于55%. 关键词： 频率调谐 同轴辐射磁控管 粒子模拟 高功率微波     

相对论磁控管谐振模式的模式分解研究

随着磁控管的发展，磁控管中的模式关系变得愈发复杂，模式间的竞争也愈发激烈。为了更好地进行磁控管的模式研究，基于本征模的正交性，推导并提出了一种模式分解的方法，并以A6型相对论磁控管作为研究对象，对其不同振荡状态下的工作场进行了模式分解的应用。结果表明，相对论磁控管振荡时，将会出现多模共存的现象，且磁控管将会振荡在成分最高的本征模频率上。同时，结果中展现了简并模式同时存在，以同趋势振荡的现象，结合PIC模拟方法，确定了具有径向输出结构的相对论磁控管能够在简并模式振荡的情况下，能够实现稳定的输出。     

S波段永磁式相对论磁控管设计及实验研究

对S波段永磁式全腔提取相对论磁控管进行了理论设计和数值模拟研究,并对其进行了实验研究。通过理论分析初步获取相对论磁控管结构参数,并采用三维电磁仿真软件对模型进行粒子仿真优化,根据引导磁场需求设计永磁磁场产生结构。该永磁式相对论磁控管在500 kV电压输入条件下,输出微波功率1.978 GW,效率49.2%。利用实验室小型脉冲功率驱动源平台开展了初步实验研究。实验中,该永磁式相对论磁控管在脉冲驱动源驱动下获得GW级输出功率,功率转换效率约40%,实验结果与模拟结果吻合得较好。     

磁控管衍射输出结构的π模特性

 磁控管结构以及类磁控管结构（无阴极）是具有衍射输出结构的磁控管最基本的组成单元,分析这两种结构的色散关系是研究具有衍射输出结构的磁控管模式转换和传输特性的基础。在基于场匹配法得到类磁控管结构的色散关系的同时,利用数值计算定量分析了6腔和2腔磁控管结构以及类磁控管结构中的π模谐振点随结构参数的变化关系。分析结果表明：对于磁控管结构,当阴阳极间距一定时,π模谐振波数随谐振腔半径的减小而增大;当谐振腔半径一定时,π模谐振波数随阴阳极间距的增大而增大;对于类磁控管结构,π模谐振波数随谐振腔深度的减小或提取腔半径的减小而增大。     

同轴结构多频相对论返波管的粒子模拟

 提出由双电子注同轴相对论返波管产生双频的设想,采用2.5维相对论全电磁PIC粒子模拟软件,进行了粒子模拟研究。结果表明,在环形相对论电子注电压625 kV,电流24 kA,引导磁场0.772 T的条件下,器件得到了稳定的高功率双频微波输出。其双频微波频率分别为11.5,12.2 GHz,两频率相差0.7 GHz,平均功率约为1.15 GW,平均功率效率7.7%。另外,还通过改变周期数,进一步获得了三频的微波输出,并对结果进行了讨论。     

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%。     

高效强流径向分离腔振荡器研究

根据同轴虚阴极的结构特点,提出了一种紧凑型径向分离腔振荡器,该径向分离腔的特点是输入电子束的电流可以很大,从而可以得到较高的微波输出功率. 综合考虑影响微波输出的各种因素,在电子束为410kV,电流为35kA的条件下,模拟得到的平均功率大于50GW,频率为146GHz,电子束功率效率达到348%. 关键词： 径向分离腔 高功率微波 同轴虚阴极 电子束分布     

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%。     

C波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

 利用2维半全电磁PIC程序进行数值模拟，设计了一种C波段磁绝缘线振荡器。该振荡器在阴极电子发射起点加圆环,控制此处电子束的发射密度，来减少电子能量的损耗，改善束-波互作用；逐渐加大慢波结构的后两个叶片的内半径，增大微波群速度，便于谐振腔中的能量输出，提高微波输出效率；采用两个扼流片有效地阻止了微波功率向二极管区泄漏，相应减小了器件的尺寸。当外加电压为430 kV、束流46 kA时，饱和后输出微波平均功率2 GW，频率3.51 GHz，功率转换效率10%。     

X波段重频过模返波振荡器实验研究

根据两腔振荡器和返波管的特点研制了过模结构返波振荡器, 该器件主要由调制腔和换能腔(慢波结构)两部分组成. 调制腔既是电子束的预调制腔, 也是微波谐振反射腔, 它同换能腔形成一个过模微波谐振腔,经调制腔调制后的电子束在换能腔中实现束波能量转换. 根据加速器的电子束参数(束压为1 MV,束流为20 kA)设计了一个X波段的高功率微波器件,2.5维粒子模拟程序模拟得到微波频率为8.25 GHz,输出功率为5.70 GW. 用超导磁体作为引导磁场,单次运行输出微波功率为5.20 GW,微波频率为(8.25±0. 关键词： 两腔振荡器 返波振荡器 多波切连科夫发生器     

内导体对相对论返波振荡器工作波段选择的影响

 设计了一种紧凑型、GW级同轴引出电子束相对论返波振荡器,利用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束 波作用的物理过程。模拟结果表明：当器件中使用内导体,在电子束能量700 keV,电子束流11 kA,导引磁场为1.0 T时,能实现L波段2.66 GW高功率微波输出,平均效率约为34%;去掉内导体时,能实现S波段1.88 GW单频微波输出,平均效率约为24%。同一个器件,仅通过装卸内导体就可以选择在两个波段实现GW级、高效微波输出,这对于高功率微波器件的设计有一定的参考意义。     

同轴电缆头和转接头HPM击穿现象初步分析

介绍了同轴电缆头和转接头的HPM击穿实验研究方法，给出了几种电缆头和转接头微波击穿功率随微波频率、脉冲宽度、重复频率和脉冲持续时间变化规律的实验研究结果。结果表明:微波击穿发生在同轴电缆头连接处，是电缆接头沿面滑闪，且击穿功率随同轴电缆及转接头尺寸的减小而降低；击穿功率也随微波脉冲宽度（30 ns～1 μs）的增大而减小，并且在100 ns附近有一拐点；在低重复频率（1～1000 Hz）下，重频对击穿功率的影响不大；微波频率在2.856～9.37 GHz变化时，微波频率对击穿功率的影响不明显；微波脉冲宽度较窄时（几十ns以下），击穿功率随持续时间变化不大，脉冲宽度较宽时（百ns以上），击穿阈值随持续时间的增大而下降。     

X波段多频相对论返波振荡器的粒子模拟

采用过模同轴波纹型返波管,其互作用区由2段周期不同的波纹慢波结构组成,利用粒子模拟软件MAGIC进行数值模拟,得到了X波段稳定的3个频率微波输出。粒子模拟的结果为:在强流电子束电压为570 kV,电流为11.4 kA,引导磁场为0.72 T的条件下,获得的3个频率分别为9.575,10.025和10.475GHz,总微波功率为1.0 GW,效率为15.4%。通过对电压的调节,进一步获得了4个频率的微波输出。     

Experimental investigation of backward wave oscillator with low magnetic field

A backward wave oscillator (BWO) is introduced in the paper. On the accelerator of Simus-700,it is experimentally investigated. Under the condition that the electron energy is 740 keV, the beam current is 7 kA and the guiding magnetic field is at 0.68 T, the performance of 1.15 GW microwave output power at 9.1 GHz microwave frequency with 22 ns pulse width and 22% conversion efficiency are reached.