同轴线法在小孔径真空元件阻抗测量中的应用北大核心CSCD

粒子加速器中真空元件的阻抗是引起束流不稳定的重要原因。基于储存环的新一代同步辐射光源的设计发射度更小,相应地要求更小的真空盒孔径,进而带来阻抗的显著增加,这就要求在设计阶段对真空元件的阻抗进行准确的评估和优化。阻抗测量是验证阻抗模型准确性的重要手段,而同轴线法是常用的实验室测量方法。对小孔径真空元件同轴线法纵向阻抗测量进行了研究,针对窄带阻抗元件,使用pillbox腔开展了相关的阻抗测量,研究了不同的内导体尺寸对于测量结果的影响,同时基于尾场模拟、散射参数模拟以及本征模模拟对测量结果进行了验证,模拟和测量结果符合很好,并证明原有的内导体导致谐振峰频移的理论分析应用于小孔径元件时存在偏差。此外针对非窄带阻抗元件,对条带冲击磁铁结构进行了同轴线法阻抗测量,研究了内导体对结果的影响,验证了同轴线法测量的有效性。     

合肥国家同步辐射实验室纵向阻抗测量平台的改进

 介绍了合肥国家同步辐射实验室在原有纵向耦合阻抗测量系统基础上根据国际流行的同轴线原理改进的新纵向耦合阻抗测量系统的基本原理、系统组成和初步测量结果。对“药丸形”腔的阻抗的实验测量结果和阻抗计算程序计算结果基本相符，验证了该系统的有效性。     

高功率微波同轴阻抗变换器优化设计及功率计算

 在高功率微波应用中,同轴线的阻抗匹配十分重要。通过同轴线内导体的渐变，可以实现阻抗变换与阻抗匹配。内导体渐变可以采用多项式、余弦、指数等函数形式。用时域有限差分方法计算同轴线的反射系数，以同轴线内导体渐变段的长度和反射系数达到最小为目标，采用遗传算法优化渐变段的结构参数，得到了反射系数为0.015、渐变长度为148 mm的同轴线阻抗变换结构。在一套具有16节点的Beowulf型并行计算机系统上采用主从式并行计算技术完成了计算，缩短了遗传算法搜索时间。最后计算和分析了该同轴线阻抗变换结构的带宽和微波功率容量，该结构峰值功率达8.734 MW。     

波导-同轴线的脊型转换器设计与测试

射频测量系统中经常会用到波导-同轴线转换器，主要是利用其将射频器件的波导端口转换成能够直接接入测量仪器的50 Ω同轴线。本文设计的648 MHz/WR1500波导同轴转换器主要用于CSNS升级工程（CSNS-II）超导直线射频器件的测量。利用切比雪夫脊型阶梯阻抗变换和探针耦合的方式实现波导到同轴线的转换。对脊加载波导和不连续同轴线分别进行了分析，得到最优尺寸。为了提高测量精度，设计的波导-同轴线转换器具有低插入损耗、低驻波比和宽带宽等特性。最后对生产的转换器进行了测试，测试结果与仿真结果相近，能够满足作为测量器件的使用要求。     

BEPCⅡ高频屏蔽波纹管纵向耦合阻抗测量和数值计算

根据BEPCⅡ工程的需要, 在高能物理研究所搭建了阻抗测量平台, 对BEPCⅡ部分真空部件进行纵向耦合阻抗的测量. 测量平台基于同轴线方法, 使HP/Agilent 8720ES微波网络分析仪在频域进行测量. 在此平台上可以用TRL校准技术和等长比较件两种方法测量真空部件耦合阻抗. 本文介绍BEPCⅡ阻抗测量平台以及对高频屏蔽波纹管(bellows)的阻抗测量和数值计算结果, 并对测量结果和测量平台系统误差进行了分析.     

强流直线感应加速腔微波特性

 介绍了确定不同加速间隙形状和设计结构的强流直线感应加速腔微波特性的方法,即确定频域中加速腔横向阻抗值的方法,包括数值模拟和实验测试。 横向阻抗测试实验中采用了两种测试方法:一种为同轴线束流模拟法,另一种为对加速腔形状因子的测试。实验中测试了3种不同的腔型,并和数值模拟结果进行了比较。两种横向阻抗的测试方法所得结果都与计算结果基本符合,从测试过程的繁简程度和多次实验结果的重复性来看,对于强流直线感应加速腔来说,形状因子值测试方法优于双芯同轴线束流模拟法。实验测试和数值模拟结果显示,确定直线感应加速腔横向阻抗值,测试实验和数值模拟是相辅相成的,缺一不可。     

束流模拟装置的阻抗对标定结果的影响

对偏心束流在束流管道中产生的电磁场和束流模拟装置的偏心同轴线中的电磁场进行了理论分析。分析表明,在束流模拟装置阻抗较小时,二者存在显著差异。该差异对束流流强探测器、束流位置探测器和束流偏角探测器的标定有一定的影响。如果采用阻抗为50Ω的束流模拟装置标定束流位置探测器,得到的等效管道半径将比真实值偏小19%。利用理论分析结果,合理地解释了一个B-dot束流位置探测器的标定结果。     

合肥光源镀膜陶瓷真空室纵向阻抗计算

 在估计合肥光源新注入系统中回形镀膜陶瓷真空室的耦合阻抗时，对于规则轴对称边界，可以采用场匹配技术求解柱坐标系中Maxwell方程得到耦合阻抗解析表达式。对于非规则形状，解析求解困难，须根据同轴线方法测量纵向阻抗基本原理，数值计算镀膜陶瓷真空室耦合阻抗。计算结果表明，陶瓷真空室内表面镀金属膜可以大大降低束流耦合阻抗，但镀膜陶瓷真空室仍是合肥光源储存环的主要阻抗来源之一。     

强流脉冲束流位置探测器标定装置物理设计

从强流脉冲电子直线感应加速器电子束流位置探测器测量原理出发,进行了标定装置物理设计,确定标定装置采用同轴结构,对束流探测器位置测量精度和测量范围、偏心同轴线对位置标定结果的影响进行了理论分析,并根据分析结果确定同轴结构内外导体相对位置调节范围、同轴线长度和特性阻抗。电路模拟和实验测量结果验证了在非匹配传输条件下可以得到满足位置标定要求的快脉冲信号波形。     

涡流检测的数值模拟与缺陷定量分析

随着涡流检测技术的不断发展，不仅要求准确检测出缺陷，且还需对缺陷进行定量、定性评价。涡流检测中阻抗信号变化是进行缺陷检测和定量分析的依据：测量或计算缺陷的阻抗信号，称为涡流检测的正向问题；从阻抗信号推断出缺陷的定量定性特征，则是逆向问题。借助于有限元模拟方法，对涡流检测时的正向问题进行了求解计算；利用傅里叶变换和神经网络方法，对涡流检测时的逆向问题进行了分析。     

The Propagation Constants of Higher-Order Modes in Coaxial Waveguides With Finite Conductivity

Overmoded coaxial waveguides have been used in coaxial gyrotrons as a key interaction structure. To achieve the required mode selectivity, the resistivity of the center conductor is properly chosen to damp unwanted modes. Considering attenuation due to conductor loss, this study employs the perturbational method to determine the propagation constants of higher-order modes in the coaxial waveguide. The validity of the theoretical model is confirmed by comparison with results obtained using the high-frequency structure simulator (HFSS). Moreover, the method proposed herein is applied to analyze the ohmic mode selection of the coaxial waveguide.     

High-power coaxial microwave ubitron: Simulation by the particle-in-cell method

Results of complete numerical simulation of a high-power coaxial microwave ubitron are reported. The simulation uses a 2.5-dimensional numerical electromagnetic code based on the particle-in-cell method and is performed for the amplification and oscillation operating modes. The results of our numerical simulation are compared with analytical results and results following from the nonlinear theory that are obtained by partial computer simulation.     

同轴交错圆盘加载波导慢波结构高频特性的研究

采用多导体传输线分析方法, 对同轴交错圆盘加载波导慢波结构进行了理论分析, 得到了这种慢波结构的色散方程; 利用该色散方程, 得到的色散特性与HFSS仿真软件模拟结果符合良好. 分析了结构参数的变化对同轴交错圆盘加载波导慢波结构的色散特性影响. 结果表明: 增加内径和减小慢波结构的单位周期长度可以拓展慢波结构的带宽. 对同轴圆盘加载波导和同轴交错圆盘加载波导两种慢波结构的色散特性进行了比较, 结果表明: 采用圆盘交错加载方式可以减弱色散, 拓展带宽. 研究结果对同轴交错圆盘加载波导在毫米波行波管中的应用具有指导意义. 关键词： 行波管 同轴交错圆盘加载波导 慢波结构 色散特性     

三轴速调管放大器自激振荡诊断

为满足X波段三轴速调管放大器(TKA)各腔内部自激振荡的诊断需求,设计了一种结构简单紧凑、无需外部密封结构的新型波导耦合器。利用小孔耦合原理和CST仿真软件,针对TKA中常见的自激振荡TE61模式,对该耦合器的耦合特性进行了理论分析和仿真设计。结合PIC方法,建立了利用该耦合器诊断TKA同轴漂移管内传输微波频谱特性的物理模型。通过仿真计算,验证了所设计的耦合器用于TKA自激振荡诊断的有效性。     

矩形槽同轴布拉格结构的模式匹配分析方法及实验验证

基于模式匹配法建立了矩形槽同轴布拉格结构的全波耦合分析模型, 推导出了不同模式反射率和传输率的计算式, 并采用公开报道的实验数据验证了该理论模型. 在此基础上就本文理论与其他相关的理论方法进行了比较, 发现以前的理论近似模型由于忽略了矩形槽中的消失模而使传输率的频率响应曲线发生偏差. 本文建立的理论方法有望为矩形槽同轴布拉格结构的特性研究和工程实践提供一种理论分析手段. 关键词： 同轴布拉格结构 矩形波纹 模式匹配法 模式耦合     

向内发射同轴型二极管电流电压关系二维修正

 给出了对同轴型强流电子束二极管的电流电压关系进行的部分理论推导与介绍,同时利用PIC数值模拟以及实验研究得到的二维效应修正关系曲线。在研究中首先给出了对向内发射同轴型二极管在不同电压等级下的电流电压关系,然后用PIC数值模拟方法进行验证。对数值模拟的结果也给出了理论推导公式在不同状态下的二维效应修正因子与电子束流运动的特点。在研究中得到的电流电压关系理论公式基本上反映了不同条件下同轴型二极管的束流特性,所以此研究结果可以直接应用于包含同轴型二极管结构的脉冲功率器件的设计与实验结果的分析中,为实验中相关问题的解决提供设计的依据与理论分析基础。     

紧凑型P波段相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了一种紧凑型P波段相对论返波振荡器,其电动力学结构是由同轴慢波结构和同轴引出结构组成的。同轴慢波结构缩小了器件的径向尺寸;同轴引出结构缩短了器件的轴向长度,且提高了束波作用效率。通过粒子模拟研究了器件内束波作用的物理过程,模拟结果表明：器件具有结构紧凑、束波作用效率高的特点。在二极管电压700 kV,电流7 kA,导引磁场1.5 T时,器件在频率833 MHz处获得较高的微波输出,饱和后输出微波的平均功率达1.58 GW,效率约为32%,器件电磁结构尺寸仅为108 mm×856 mm。     

同轴慢波结构相对论高功率微波产生器理论分析

 推导了同轴波导的空间电荷限制流，其值大于圆波导的空间电荷限制流。因此在阴极电势和束流相等的情况下，同轴波导中的束流具有更高的动能，同轴器件有可能获得更高的微波转换效率。理论推导出同轴慢波结构中考虑束流空间电荷影响的色散方程，利用Matlab进行了编程求解。不考虑束流空间电荷影响时，编程计算结果与Superfish模拟结果一致。由考虑束流空间电荷影响的色散方程数值计算结果，可知文献中提出的同轴慢波结构相对论高功率微波产生器工作在准TEM模的π模，频率为7.67 GHz，峰值时间增长率较高，电子束损失的能量与其初始能量之比为34%。这些结果均与文献中的数值模拟结果一致。同时理论分析说明该种器件无论在能量转换效率，还是在产生微波脉冲的上升时间上均具有优势。     

基于粒子模拟的磁绝缘传输线等效电容和等效电感的计算

提出了一种基于粒子模拟的磁绝缘传输线等效电容和等效电感计算方法,在层流模型得到的同轴磁绝缘传输线等效电感和等效电容理论公式中引入修正因子,对粒子模拟所得结果进行数值拟合,获得了等效电容和等效电感修正因子依赖于电压的拟合表达式,修正后的等效电容和等效电感理论公式与粒子模拟结果符合较好,所得结果可用于磁绝缘传输线的等效电路建模。     

A Locally Conformal Algorithm for Handling Curved Metallic Surfaces and Its Application

This paper describes a modified locally conformal algorithm for finite-difference time-domain (FDTD) method. Fields in the entire computational domain are computed by a regular FDTD algorithm except those near curved metallic surfaces, where special techniques proposed in this paper are applied. The computation efficiency of a regular FDTD method is maintained while a high space-resolution is obtained by this new algorithm. To validate the reliability of the algorithm, coaxial continuous transverse stub arrays at millimeter wave Ka-band and microwave X-band are tested, and the simulated results show good agreement with the experimental results from an HP-8510B Network Analyzer and the simulation results from software package HFSS.