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     

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.     

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.     

相对论速调管放大器中微波放大机制

解析地研究了电子束在相对论速调管放大器（ＲＫＡ）的调制腔和漂移管中的预群聚；第一次用粒子－波相互作用的场方法导出了在辐射腔中预群聚电子束产生辐射的自洽方程；并且计算了线性区的增益．     

X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器设计

针对器件工程应用中的高功率高增益需求，设计了工作在X波段的高功率高增益多注相对论速调管放大器，建立了带输入、输出波导结构的三维整管模型。设计双边对称耦合孔输入腔结构，降低了输入波导对输入腔间隙电场均匀性的影响以抑制非均匀干扰模式；设计采用多腔多间隙群聚结构，降低了输入微波功率的需求，提高了器件放大增益；并且分析设计了多间隙扩展互作用微波提取结构，提高了器件的功率转换效率以及降低输出结构表面电场强度。通过优化设计，粒子模拟仿真实现X波段多注相对论速调管放大器输出微波功率达到3.2 GW，器件放大增益约为60 dB，功率转换效率约为40%。器件验证实验在电子束电压550 kV，电流5.1 kA的情况下，输出功率为0.99 GW，放大增益约为53 dB，转换效率约为35%。     

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3 GW 相对论速调管放大器的设计

利用速调管放大器中间腔可以提高器件放大增益,并达到降低微波注入功率的要求,同时针对高功率微波相对论速调管放大器的特点,建立了一个带有两个中间腔的S波段相对论速调管放大器,采用特殊结构克服了多个中间腔引入的高次模影响,模拟上实现了在kW量级微波注入条件下,基波电流调制深度达到80%,输出微波3.3 GW。     

相对论速调管放大器两腔束流调制的理论与模拟比较分析

采用一维自洽束波互作用的非线性理论,探索了相对论速调管放大器(RKA)的束流调制特性,并与二维PIC结果进行了比较和分析。首先推导了环形电子束的几何因子,然后分别给出了两腔调制时归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程。采用调制电子束激励中间腔的非线性理论估算了中间腔间隙电压的幅度和相位,幅度的相对误差为0.07%,相位误差为2.15°。给出了输入腔和中间腔的间隙耦合系数公式,对于束压为715.2 kV、束流为8 kA的电子束,当输入腔和中间腔间隙电压分别为14,315.2 kV,输入腔和中间腔相位差为90.59°时,采用一维非线性理论和二维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系。对于基波电流调制系数,中间腔之前处于线性区,理论值与模拟值比较一致;在中间腔内部基波电流调制系数出现明显的下降,理论值与模拟值之间的差距较大;中间腔之后处于非线性区,对于基波电流调制系数的最大值和对应的纵向位置,理论值与模拟值基本一致。当束流传输距离为65.8 cm时,计算了归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和电荷守恒参量N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化情况。     

强流相对论电子束双腔纵向自调制研究

当强流相对论电子束在类双腔速调管系统中传输时，会发生自调制现象. 利用这一现象可以 在无微波注入的情况下得到较好的微波输出，这是一种由强流相对论效应引起的自激振荡. 利用这一原理有可能研制出一类新型的微波器件. 对强流相对论电子束在这种物理机制作用 下发生起振的条件及传输机理进行了理论分析，并进行了数值模拟. 优化结果显示，利用4k A, 500kV的强流相对论电子束，可得到099GHz，800MW的微波输出，效率约40％. 关键词： 强流相对论电子束 自调制 反馈机制 数值模拟     

任意时间分布电子束与单间隙微波腔的非线性自洽过程研究

将电子束作为激励源，根据Maxwell方程和电子受到的洛伦兹力，给出了描述工作模式在电 子束作用下的激励方程和电子束电子在工作模式作用下的运动方程（即微波谐振腔中电子束 与微波场相互作用的自洽方程组）.根据该自洽方程组，进一步研究了任意时间分布电子束 与单间隙微波腔的相互作用.通过分析微波腔中电子束与微波作用的线性和非线性过程，给 出了电子束调制深度、微波腔作用间隙对微波输出功率的影响.最后从理论上给出了影响微 波输出功率的综合物理参量. 关键词： 微波腔 模式 自洽方程 单间隙微波腔     

Theoretical investigation of an electron beam propagating through a wide gap cavity

This paper presents a self-consistent nonlinear theory of the current and energy modulations when an electron beam propagates through an inductively-loaded wide gap cavity. The integro-differential equations axe obtained to describe the modulation of the beam current and kinetic energy. A relativistic klystron amplifier （RKA） model is introduced, which uses an inductively-loaded wide gap cavity as an input cavity. And a numerical code is developed for the extended model based on the equations, from which some relations about the modulated current and modulated energy are numerically given.     

Design of a C-band relativistic extended interaction klystron with coaxial output cavity

In order to overcome the disadvantages of conventional high frequency relativistic klystron amplifiers in power capability and RF conversion efficiency, a C-band relativistic extended interaction klystron amplifier with coaxial output cavity is designed with the aid of PIC code MAGIC. In the device, disk-loaded cavities are introduced in the input and intermediate cavity to increase the beam modulation depth, and a coaxial disk-loaded cavity is employed in the output cavity to enhance the RF conversion efficiency. In PIC simulation, when the beam voltage is680 k V and current is 4 k A, the device can generate 1.11 GW output power at 5.64 GHz with an efficiency of 40.8%.     

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%。     

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%.     

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。     

宽带相对论速调管放大器模拟设计

设计了一种用于S波段、工作带宽10%的相对论速调管放大器结构。该宽带管采用多间隙输入腔、两个中间腔和重叠模双间隙输出腔来拓展相对论速调管放大器(RKA)群聚段和输出段的带宽, 模拟得到基波调制深度大于80%时, RKA群聚段和输出段的带宽分别为11%和15%。整管模拟时, 通过调节注入微波频率和功率, 得到最大功率1.58 GW、3 dB相对工作带宽10%、带内微波功率不小于1 GW的输出微波。     

电子回流对相对论速调管稳定工作的影响

模拟研究了电子束电压、电流及注入微波功率等参数对相对论速调管放大器中电子回流产生的影响,模拟发现注入微波过高、电子束电压过低及电子束电流过大都会导致电子回流。同时研究了回流电子对相对论速调管稳定工作的影响,研究发现,电子的回流会引起自激振荡,进而导致锁频锁相失败,器件不能稳定工作。     

基于离轴高增益速调管的X波段高功率合成技术研究

为了克服强流高增益速调管放大器中的自激振荡和适应低阻抗脉冲功率源发展的需要,利用高阻抗X波段五腔高增益速调管放大器进行了离轴八注八管高增益速调管功率合成技术研究,在频率为9.47 GHz、模拟输出功率为284 MW、增益为51.6 d B和效率为35.5%条件下,该器件整管微波输出稳定.在三维模型中,在离轴54 mm条件下该器件的微波输出特性稳定.基于实验室现有4.5 T(长1.1 m,室温孔径为150 mm)超导磁体,进行了八注八管高增益速调管的整管模拟,每个器件实现284 MW的微波输出.最后,为实现GW级功率输出,利用HFSS软件设计了用于离轴八注八管高增益速调管功率合成的八合一功率合成器,将该合成器同八注八管高增益速调管结合,模拟得到功率为1.84 GW、增益为50.7 d B、效率为28.8%的微波输出.