Preliminary design of high-power wave-guide/transmission system for multimegawatt CW requirements of 100 MeV proton LINAC

Development of a 100 MeV CW proton LINAC has been planned at CAT. This LINAC will be needing CW rf power in the frequency ranges of 350 MHz and 700 MHz for its RFQ and DTL/CCDTL/SFDTL structures respectively. The power to the accelerating structures will be produced by either 1 MW CW or 250 kW CW klystrons/inductive output tubes (HOM IOTs). The power needed by respective feed points in the structure is max. 250 kW which will be powered by splitting the power from 1 MW klystron/klystrode into four channels by using a wave-guide system. In case of using 250 kW tubes the power to the structures will be provided directly from each tube. Two types of wave-guide transmission system have been considered, viz, WR 2300 for 350 MHz rf needs and WR 1500 for 700 MHz rf needs. The typical wave-guide system has been designed using the 1 MW CW klystron followed by wave-guide filter, dual directional coupler, high-power circulator, three 3 dB magic TEE power dividers to split the main channel into four equal channels of 250 kW each. Each individual channel has dual directional couplers, flexible wave-guide sections and high power ceramic vacuum window. The circulator and each power divider is terminated into the isolated ports by high power CW loads. Out of the four channels three channels have phase shifters. Present paper describes the technological aspects and design specifications-considerations for these stringent requirements.     

Ka波段分布作用速调管降压收集极设计

为满足无线传能系统对高效率大功率毫米波功率源的迫切需求,开展大功率连续波速调管高效率技术研究,采用降压收集极技术实现速调管在效率上的有效提升。主要介绍了某Ka波段大功率连续波分布作用速调管(EIK)降压收集极的设计方案,包括注-波互作用后废电子能量分布及行为特性的研究,收集极初始条件、结构及电极电压的设计,给出了单级降压收集极和两级降压收集极的设计和计算结果。三维粒子模拟(PIC)计算结果表明,该Ka波段连续波EIK采用单级降压收集极时回收效率为41.0%,采用两级降压收集极时回收效率为68.8%,EIK总管效率相比于未采用降压收集极技术时的27.5%上升至54.8%,表明通过降压收集极技术可有效提升毫米波大功率速调管工作效率。     

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%。     

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%。     

Ku波段径向线相对论速调管放大器的仿真与设计

高频段相对论速调管放大器(RKA)是近年来高功率微波领域的研究热点之一,其发展主要受限于模式竞争、相位抖动和效率偏低等问题。设计了一种径向线RKA,主要由输入腔、两组非均匀双间隙群聚腔和三间隙提取腔等四部分构成。通过比较单双间隙群聚腔与电子束互作用的耦合系数,说明了非均匀双间隙群聚腔具备对电子束较强的调制能力。前端加载TEM模式反射器的非均匀双间隙群聚腔的工作在TM01-π模式,Q值较大,有利于谐振腔之间的能量隔离。采用两组非均匀双间隙群聚腔级联的方式,在注入功率仅10 kW情况下,实现短漂移管长度下电子束深度群聚达110%。粒子模拟结果表明,该器件具有效率高的优点,在电子束电压400 kV,电流5 kA,磁场强度0.4 T条件下,得到功率825 MW,频率14.25 GHz,效率41%的微波输出。     

Diode-end-pumped CW and actively Q-switched Tm,Ho:YLF ring laser

This paper presents CW and acoustic-optical Q-switched Tm,Ho:YLF laser performance in a laser-diode end-pumping figure-eight ring resonator structure at 77 K. Under CW operation, different transmission of output couplers and different cavity length were used to achieve best characteristics of the laser. The maximum power of 1.85 W is achieved with the threshold of 2.09 W, slope efficiency of 28.14% and optical-to-optical efficiency of 20.3% on the condition of 1 m cavity length and 18% transmission. Under pump power of 4 W, laser characteristics under Q-switched operation with different pulse repeat frequency was investigated. Maximum energy of 5.86 mJ is achieved with pulse width of 171.2 ns, peak power of 34.2 kW and dynamic-static ratio about Q-switch laser of 0.62 at pulse repeat frequency 70 Hz.     

大间隙C波段三轴速调管束流调制模拟研究

利用SUPERFISH软件设计了一种兼具大间隙速调管及三轴速调管优势的C波段大间隙三轴速调管,对所设计大间隙三轴速调管的束流传输及调制情况进行了2维粒子模拟研究。模拟结果表明,三轴速调管设计需要特别关注"模式泄露"问题以及谨慎选择内导体接地支撑杆的位置,以获得稳定传输的电子束。综合考虑上述两个条件,在440 kV的二极管电压下,5.0 GHz,200 MW的强注入功率可以获得11.8 kA的基频调制积分电流,束流调制深度88%,调制电流峰峰值大于40 kA,且调制电流具有良好的频率及相位稳定性。在此基础上,初步模拟得到了大于2.0 GW的平均微波功率,平均效率约33.8%。     

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。     

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.     

Long-pulse and CW tests of a 110-GHz gyrotron with an internal,quasi-optical converter

A high-power gyrotron, employing an internal converter that produces a Gaussian-like output mode, has been designed and tested. The tube employed a TE_22.6.1-mode interaction cavity that was designed for operation at a frequency of 110 GHz. An internal converter, consisting of an advanced launcher design and four mirrors, produced a Gaussian mode that had a relatively uniform profile at the tube output window to minimize the peak power density. Tests on the tube resulted in output power levels of 680, 530, and 350 kW for pulse durations of 0.5, 2.0, and 10.0 s, respectively. Measurements of the temperature of the output window were made during the long-pulse tests. Output power levels of 1 MW were achieved under short-pulse (1 ms) operation and the tube was operated at CW power levels in excess of 100 kW     

Internal resonantly enhanced frequency doubling of continuous-wave fiber lasers

In this Letter we describe a simple method for frequency doubling in high-power CW fiber lasers that offers the prospect of very high conversion efficiency and high power in the visible wavelength regime. Our approach is based on second harmonic generation in an enhancement resonator within the fiber laser cavity and does not require active cavity length stabilization. This technique has been applied to a cladding-pumped Yb-doped fiber laser to generate 19 W of linearly polarized CW green output at 540 nm, with excellent temporal stability for 90 W of absorbed diode pump power at 975 nm. The prospects for further improvement in performance with respect to conversion efficiency and output power are considered.     

Ka波段带状注相对论速调管模拟研究

利用三维电磁场与粒子模拟软件对Ka波段带状注相对论速调管放大器进行了分析设计和模拟计算。通过对谐振腔本征模的计算确定了腔体的冷腔高频特性,采用三维粒子模拟软件(PIC)模拟分析速调管各腔及整管的束波互作用过程。模拟结果表明:在带状电子注电压500kV、束流1kA、宽高比40∶1,注入微波功率1.94kW和均匀聚焦磁场0.8T的条件下,获得的输出微波功率达到142MW,频率40GHz,效率28.4%,增益约48.6dB。     

Ka波段分布作用速调管多间隙谐振腔研究

谐振腔作为速调管的高频互作用电路,其特性对速调管的功率、效率、增益和带宽等性能具有决定性影响。主要介绍了某Ka波段分布作用速调管谐振腔的设计过程:基于多间隙谐振腔理论,利用电磁仿真软件CST详细分析了谐振腔不同结构尺寸对特性参数,如品质因子、特性阻抗、耦合系数、有效特性阻抗的影响,优化得到谐振频率为35 GHz的五间隙谐振腔的物理结构模型,并给出互作用仿真结果,为Ka波段分布作用速调管设计及其高频注波互作用的计算提供重要的参考和依据。     

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%.     

W波段分布作用速调管的设计和实验研究

基于运动学理论、感应电流定理和电荷守恒定律,分析了分布作用谐振腔的渡越时间效应,推导了各个谐振腔工作于π模的电子注与微波之间的能量转换系数、电子负载电导和电子负载电纳,计算结果显示采用分布作用谐振腔有利于提高速调管的工作效率.利用三维电磁仿真软件,设计了一款工作于W波段的分布作用速调管.完成了速调管的加工和封接,搭建了测试平台,开展了相关实验研究.实验结果显示,当电子注电压20.8 kV,电流0.3 A,输入功率30 mW时,在中心频率95.37 GHz处,得到了175 W峰值脉冲输出功率,电子效率2.8%,增益34.6 dB, 3 dB带宽大于90 MHz.     

X波段三重轴相对论速调管放大器的设计

分析了同轴腔体间隙束流与电场的相互作用,推导了同轴腔体间隙的耦合系数和电子负载电导,并设计了10⁴ W级注入微波驱动的X波段三重轴相对论速调管放大器,产生了GW级的微波功率输出.通过三维粒子模拟,设计了工作频率为9.37 GHz的三重轴相对论速调管放大器,在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA的条件下,获得的输出微波功率达到1.1 GW,效率为37%,增益为42 dB. 关键词： 同轴腔体 束波互作用 X波段 三重轴相对论速调管放大器     

Yb∶Y_2O_3陶瓷薄片激光器获得10.5 W连续激光输出

室温下采用中心波长约970 nm准直输出的大功率激光二极管模块作为抽运源,端面抽运双程吸收的腔型结构,抽运原子数分数为8%的Yb:Y2O3多晶透明陶瓷片获得连续激光输出。抽运阈值功率为7 W,当抽运功率达到35 W时,获得优化连续激光输出功率为10.5 W,光光转换效率为30%,斜率效率为37.5%。激光输出功率随抽运功率基本呈线性增长。采用更高功率抽运源、优化谐振腔结构和减小热效应的影响,Yb∶Y2O3陶瓷激光器的输出功率和效率将会得到进一步提高。     

连续激光二极管抽运的调Q高重复率Nd:YAG激光器研究

报道了由１５Ｗ连续激光二极管端面抽运的Ｎｄ：ＹＡＧ激光器,自由运转时输出功率达到４．５Ｗ,斜效率达到４４％,声光调Ｑ的重复率由３～６５ｋＨｚ可变。１０ｋＨｚ时,峰值功率达到２８ｋＷ,脉宽８ｎｓ。还分析了激光二极管抽运的声光调Ｑ高重复率激光器设计中的几个重要因素。从理论上分析了不同频率时激光单脉冲能量、斜效率产生区别的主要原因。     

电子束收集极对大间隙速调管输出腔效率的影响

 利用高频电磁软件对带电子束收集极的S波段大间隙输出腔进行了高频特性分析,采用3维PIC程序模拟了电子束收集极对大间隙速调管输出效率的影响。研究结果表明：收集极的存在会改变输出腔的本征谐振频率和电子束路径上的特性阻抗等高频特性,但收集极可以短路间隙附近的径向电场,减小电子束的空间电荷压力,同时对群聚电子进行再加速,从而提高大间隙速调管的输出效率;在束电压700 kV,直流电流6 kA时,优化后的带收集极的大间隙输出腔可稳定提取大于1.68 GW的微波功率,提取效率约40.1%,比无收集极时提高约5%。