S波段低磁场高效率相对论返波管振荡器研究

针对传统相对论返波管振荡器低磁场工作束波转换效率较低的问题,本文提出并研究了一种带中间调制腔链及TM02模式提取腔的相对论返波管模型:中间调制腔链用于进一步群聚电子束,提高电子束的基波调制深度;TM02模式的提取腔用于提高返波管的Q值,增强提取腔中的驻波电场;漂移段用于调节电子束在调制腔链中的群聚相位和提取腔中的换能相位.在此基础上,设计了一个S波段高效率相对论返波管振荡器,器件输出微波功率4.2 GW,频率2.38 GHz,束波转换效率达到50%,引导磁场强度0.7 T.     

紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器，通过粒子模拟研究了L波段同轴相对论返波振荡器相互作用的物理过程，并对器件的电磁结构进行了优化和改进。分析表明，采用同轴慢波结构可以在较低的外加磁场下实现L波段返波振荡器的微波输出，同时可以大大减小微波器件的径向尺寸。这是因为同轴慢波结构的TM01模式有类似于TEM模的性质，没有截止频率，但纵向电场不为零，电子束能够与它发生强相互作用过程。粒子模拟优化结果表明，在器件半径仅为4.0 cm，电子束能量240 keV，电子束流1.8 kA，导引磁场仅为0.75 T时，返波振荡器可以在频率1.60 GHz处获得较大功率的微波输出， 平均峰值功率达140 MW，平均峰值功率效率约为32%。     

一种Ku波段高效率低磁场同轴相对论返波管北大核心CSCD

设计了一种工作在Ku波段的低磁场同轴相对论返波管。器件工作在同轴TM01近π模式,采用两段式慢波结构构型,在前后段慢波结构中分别主要进行电子束调制与能量提取,以实现高效率工作。通过设计非对称反射腔,引入电子束预调制,进一步加深电子束调制深度,提高了束波互作用效率。通过调节慢波结构中间漂移段长度,进一步优化器件内部场分布,提取段慢波结构处轴向电场强度得到显著增强,器件工作效率可提升至35%。最终,当磁场强度0.6、二极管电压490V、二极管电流7.5A时,获得1.27GW微波输出,效率约35%,微波频率为14.7GHz。     

捷变频相对论返波管振荡器设计

基于低磁场返波管振荡器的工作原理,设计了一个捷变频相对论返波管振荡器,该器件由两段对电子束参数要求基本一致的慢波结构串接而成,通过调节引导磁场强度实现器件频率的调节,使其分别工作于C波段和X波段。在电子能量和束流分别为670keV和8kA的条件下,当引导磁场强度为0.5T时,采用2.5维PIC程序模拟得到频率为6.28GHz、功率为1.0GW的微波输出;而当引导磁场强度为0.8T时,得到频率为9.25GHz、功率为0.75GW的微波输出。     

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     

X波段永磁包装相对论返波管研制

设计了一个X波段相对论返波管,通过对器件结构的特殊设计,提高了器件的Q值,同时增大了电子束与慢波结构之间的耦合阻抗,从而实现器件的低磁场运行以便对其进行永磁包装;当引导磁场强度0.46 T、电子束束压750 kV、束流约5.5 kA时,得到频率9.1 GHz、功率1.24 GW的微波输出。根据模拟结果设计加工了一个磁场强度为0.46 T的小型化永磁磁体,该磁体长48 cm,最大外半径15 cm,总重量约116 kg。开展了永磁包装返波管的实验研究,得到以20 Hz的频率运行1 s时功率900 MW、单次运行时功率940 MW的X波段微波输出。     

无外加引导磁场相对论返波振荡器粒子模拟

设计了一种无外加引导磁场S波段相对论返波振荡器,采用阳极网提取电子,并设计了非均匀慢波结构。通过Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。典型模拟结果为:当二极管工作电压330 kV、电流2.83 kA时,器件在频率2.79 GHz处获得较高的微波输出,经27 ns后饱和,输出微波的功率达158 MW,效率约为16.8%。     

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。     

低频段紧凑型同轴相对论返波振荡器

基于P波段新型三周期慢波结构同轴相对论返波振荡器设计思想,设计了一个L波段同轴相对论返波振荡器。粒子模拟表明,在二极管电压591 kV、电流8.2 kA、导引磁场0.8 T时,获得了1.50 GW的微波输出,频率为1.64 GHz,效率达31%,器件慢波结构尺寸仅为f96 mm207 mm。分析了该器件实际高频结构的电动力学特性,重点研究了纵向谐振模式、品质因数等特点,并结合P波段的研究结果,得到了该类器件的相关设计指标:慢波结构长度约为一个波长,波纹周期约5/13波长,外波纹深度约1/10波长,内波纹深度约1/30波长,电子束半径约0.7倍外波纹平均半径,器件的纵向工作模式为0.8模,对应的Q值约16。     

单电子束双波段同轴相对论返波管粒子模拟

设计了一种能在C波段和X波段实现稳定双频输出的带有非对称谐振反射腔的单电子束同轴相对论返波振荡器。采用耦合阻抗跃变型慢波结构,使用粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示:轴向电场在系统中的分布得到改进,电子束的能散得到改善。在电子束电压511 kV,电流8.95 kA,引导磁场0.73 T的条件下,双频器件实现了8.09 GHz和9.91 GHz的双波段频率稳定输出,平均功率为1.0 GW,波束互作用效率为21.9%, 效率高于空心双波段返波管及其他双波段器件。器件辐射功率的拍频为1.82 GHz,拍波更为明显和稳定。模拟研究中同时发现, 随着慢波结构之间漂移段的变化,双频频率都呈现一种准周期的变化。     

X波段短脉冲相对论返波管设计与初步实验

 对基于短电子束脉冲超辐射机理的X波段相对论返波管进行了优化设计和粒子模拟，结果表明：在超辐射机理作用下，该器件能实现高峰值功率和高功率转换效率的微波辐射。在小型Tesla脉冲源基础上设计了阻抗变换段、二极管、磁场系统等装置，建立了一套小型窄脉冲电子加速器，以此为实验平台在低磁场条件下进行了器件的初步实验研究。在磁场0.73 T、束压约380 kV、束流约4.5 kA、脉宽3.1 ns条件下，实验获得的微波脉冲峰值功率约360 MW，脉宽1.10 ns，上升沿800 ps，频率9.15 GHz，功率转换效率为21%。     

带高阶模谐振腔反射器的过模高功率毫米波源

针对过模系数为2.3的高功率毫米波发生器设计了工作于高次模的谐振腔反射器。谐振腔反射器工作模式为TM035模式,在58~62 GHz频带内对TM01模式的反射系数大于0.9。运用2.5维全电磁粒子程序模拟分析了器件中束波相互作用过程,通过调整慢波结构与谐振腔反射器间的漂移段长度得到了器件在570 kV,6.0 kA电子注量驱动下,在引导磁场为4 T时,能辐射出功率1.06 GW、频率为60.2 GHz的毫米波,主要工作模式为TM01模,效率约为31%,起振时间为3.3 ns。     

预调制型同轴虚阴极振荡器数值模拟

提出一种高效率预调制型同轴虚阴极振荡器,进行了数值模拟研究。研究表明:径向束流预调制型同轴虚阴极振荡器利用在束-波互作用区加载金属圆环形成谐振腔,改变束-波互作用区的电场,对电子束进行调制。圆筒形金属形成的调制腔产生的电场既对电子束进行了调制,同时对微波频率进行了锁定,其谐振频率主要是由加载的金属圆筒的长度和两个圆筒之间的径向距离决定。经过优化设计,在600 kV,73 kA无外加引导磁场的条件下,预调制型同轴虚阴极振荡器获得了平均功率6 GW,频率为2.575 GHz的微波输出,效率达到13.94%。     

新型高效率虚阴极振荡器

结合低磁场返波管振荡器和虚阴极振荡器的优点,设计了一个具有较高效率的虚阴极振荡器,通过添加半反射腔,使虚阴极在由阳极箔、波导和半反射腔组成的准谐振腔内形成,实现器件的高效率、高功率运行。当电子能量和束流分别为480keV和23kA时,采用2.5维粒子模拟(PIC)程序模拟得到频率为3.7GHz、功率为2.6GW的微波输出,器件束波转换效率约为23%。     

引导磁场对收集极中电子能量沉积的影响

理论分析了引导磁场对收集极材料中电子运动的约束作用,推导了引导磁场作用下二次电子的逃逸条件,利用蒙特卡罗方法计算了引导磁场作用下电子束在收集极中的能量沉积规律。研究结果表明:引导磁场对电子在材料内部的运动约束作用很弱,对二次电子有强约束作用;大部分二次电子经拉莫回旋再次轰击在收集极上被收集,逃逸的二次电子沿引导磁场方向进入束波作用区;增大电子的入射角度时,束流密度的降低和二次电子的再次入射降低了收集极中电子的最大沉积能量密度,提高了收集极的耐电子轰击能力。     

X波段内同轴膜片加载相对论返波振荡器的特性研究

 把同轴膜片作为相对论返波振荡器的慢波结构，从Maxwell方程组和Floquet定理出发，导出了电磁波在同轴膜片加载相对论返波振荡器中的色散关系。通过编程计算得出TM_0n模式的色散曲线，数值分析了周期长度和导体半径对器件工作频率的影响，运用PIC程序模拟了返波振荡器中注波互作用过程。讨论了纵向聚焦磁场、电子注到慢波结构的距离、槽深和槽宽对输出功率和效率的影响。研究表明：增加器件的周期长度，可以减小器件的截止频率和同一模式下的工作频率； 调节内导体半径的大小，几乎不影响器件的工作频率。周期长度取11 mm，槽深取2 mm，槽宽取3.6 mm，漂移长度取7.5 mm的结构，在520 kV电压、8 kA电流和0.7 T的轴向聚焦磁场条件下，器件能输出2.8 GW的峰值功率,功率效率约33.2%。该慢波结构加工方便，具有广阔的应用前景。     

Coaxial Relativistic Backward Wave Oscillator and Coaxial Master Oscillator-Power Amplifier

A two and one half dimensional particle-in-cell code MAGIC has been used to investigate the nonlinear beam-wave interaction in a coaxial relativistic backward wave oscillator(RBWO) and optimize the dependence of the output power on electron beam nature parameter, slow wave structure geometry and magnetic guide field. The optimum conditions for the coaxial RBWO were obtained. The simulation results show: the coaxial RBWO can generate 3.2GW peak output power at 10.2GHz in the TM₀₂ made when an annular electron beam of 20KA is accelerated across a diode potential of 600KV and guided through a section of uniform coaxial corrugated waveguide by an axial magnetic field of 25KG, the peak efficiency is about 27% . A novel coaxial master oscillator–power amplifier was presented in this paper.     

3mm波段二次谐波渐变复合腔回旋管的非线性模拟

 利用含电流的传输线方程，并在考虑多模注-波互作用及多模耦合的情况下，利用自主开发的多模高次谐波渐变结构复合腔回旋管的注-波互作用数值模拟软件，对3 mm波段二次谐波渐变复合腔回旋管进行了自洽非线性模拟，分析了H₀₂-H₀₃模式对下磁场系数、电流、电子注速度比对注-波互作用效率的影响。计算结果表明，在合适的腔体结构尺寸下，以及合适的磁场系数、电流、速度比下，注-波互作用效率可达27％。     

低磁场谐振腔切仑科夫振荡器-锥形放大器的初步实验研究

设计了一种能工作在低磁场高功率的慢波器件,该器件通过谐振腔将切仑科夫振荡器与锥形放大器有机地结合,充分利用电子的能量,实现了高效的微波产生.给出了初步的实验结果,在束流电压450kV,电流2.3 kA,导引峰值磁场0.6T的情况下,得到230 MW,频率为10.33 GHz,模式TM01的微波输出,效率达到23%.实验结果与粒子模拟结果基本吻合.