强流环形电子束在同轴永磁Halbach结构磁路中传输的初步分析

利用有限元程序SUPERFISH计算求解了同轴永磁Halbach结构磁路的磁场,并推导出该磁场位形磁感应强度各分量的近似表达式.利用流体模型分析了作用在电子束上的力并导出了改进马丢方程形式的径向力平衡方程,给出了平衡条件;利用2.5维全电磁粒子模拟程序研究了强流环形电子柬在该周期系统中传输的物理过程.计算得出强流相对论电子束的稳定传输与电子束电流,电子束厚度,磁场强度,电子束入射角度等因素有关.分析认为利用同轴永磁Halbach结构磁路导引数KA的环形电子束,并使之稳定传输是可能的.同时该磁场聚焦形式也为Ubitron中的束一波相互作用提供了一个作用机制.     

强流环形电子束在同轴永磁Halbach结构磁路中传输的初步分析

利用有限元程序SUPERFISH计算求解了同轴永磁Halbach结构磁路的磁场, 并推导出该磁场位形磁感应强度各分量的近似表达式. 利用流体模型分析了作用在电子束上的力并导出了改进马丢方程形式的径向力平衡方程, 给出了平衡条件; 利用2.5维全电磁粒子模拟程序研究了强流环形电子束在该周期系统中传输的物理过程. 计算得出强流相对论电子束的稳定传输与电子束电流, 电子束厚度, 磁场强度, 电子束入射角度等因素有关. 分析认为利用同轴永磁Halbach结构磁路导引数KA的环形电子束, 并使之稳定传输是可能的. 同时该磁场聚焦形式也为Ubitron中的束--波相互作用提供了一个作用机制.     

行波管中静态轨迹的研究

 研究了行波管中均匀聚焦磁场和周期永磁聚焦磁场对轨迹波动的影响。推导了这两种磁场下轨迹波动周期和幅值,讨论了磁场强度对轨迹的影响。解释了聚焦磁场存在小的波动的原因,并且通过计算得出小波动的周期为磁场周期的1/2,揭示了在周期永磁聚焦磁场下,电子轨迹近似等效于周期为周期永磁聚焦磁场1/2的小波动和均匀磁场形成的波动轨迹的叠加。利用电子科技大学编写的微波管模拟套装中的3维注-波互作用模块进行了静态轨迹计算,验证了理论推导。     

多注行波管周期永磁聚焦系统

 利用自行开发的3维行波管仿真软件研究了五注耦合腔行波管周期永磁聚焦系统,分析了各个电子注通道内的静磁场分布和电子注聚焦性能。讨论了在有无初始横向速度的情况下各电子注的聚焦情况。并对外层电子注通道内的横向磁场的性质和其造成的对电子注聚焦的影响进行了分析,结果表明:该多注周期永磁聚焦系统具有良好的静磁场分布特性与电子注聚焦性能,在结构设计合理时,横向磁场对外层通道内电子注的聚焦影响很小,可以忽略。     

周期永磁聚焦电子注性能计算机模拟

 使用全三维电磁场粒子模拟程序MAFIA建立了行波管周期永磁聚焦系统模型，计算了磁系统中的磁场分布和静态电子注传输特性。分析了周期永磁系统聚焦电子注传输特性，并重点讨论了磁场强度、磁场端部效应和横向速度分布对电子注聚焦性能的影响。为周期永磁聚焦系统的工程设计和优化提供了有价值的模拟结果。     

同轴波纹返波管色散特性研究及粒子模拟

 计算了同轴波纹慢波结构的色散特性，分析了波纹周期长度、波纹幅值大小以及同轴内导体半径对慢波结构色散特性的影响。研究表明内导体的存在使系统截止频率升高,系统尺寸可比普通波纹波导慢波系统更大, 并且可以采用大半径电子注并工作在低磁场状态。运用Magic软件对同轴波纹返波管进行了数值模拟, 发现同轴波导内场分布有利于注波互作用,在数值模拟基础上设计出高效率、低磁场的非均匀同轴波纹返波管,互作用效率达60%,聚束磁场小于1 T。     

S波段多注相对论速调管放大器长时间运行研究北大核心CSCD

为了实现高功率微波源低磁场及长时间稳定运行,开展了S波段GW级多注相对论速调管放大器(RKA)的理论模拟设计与实验研究。首先,采用一维大信号非线性理论软件优化设计了S波段4腔多注RKA,找到了器件工作的最佳参数:采用电压550 kV、束流4.7 kA的14注RKA,获得功率1.1 GW、效率43%的输出微波。随后,采用粒子模拟软件对理论设计的束波互作用参数进行了验证,获得了输出功率992 MW,器件效率为37%。最后,根据模拟参数开展了器件重频长时间运行实验研究。采用紧凑同轴Marx功率源驱动S波段四腔多注RKA,在电压530 kV、束流5.4 kA、重频20 Hz、运行时间1 s、引导磁场强度0.39 T、注入微波功率1.7 kW的条件下,获得了功率934 MW、脉宽69 ns的输出微波,束波转换效率33%。在器件重频20 Hz、运行时间10 min条件下,坚实了平均功率889 MW、平均脉宽42 ns的输出微波。该研究结果为S波段RKA的低磁场和长时间运行打下了的技术基础。     

四注行波管周期永磁聚焦系统的优化设计

根据电子注参数、布里渊磁场公式及周期聚焦系统轴向磁通密度峰值经验公式,计算出永磁聚焦系统轴向峰值磁通密度,利用Ansoft Maxwell 3D软件建立了四注行波管周期永磁聚焦系统仿真模型,对模型结构尺寸进行了参数化分析,研究了周期永磁聚焦系统结构尺寸对聚焦系统通道内磁通密度的影响,确定了磁聚焦系统结构最佳尺寸配合,优化设计出了四注行波管周期永磁聚焦系统。其电子注通道中心轴线上轴向磁通密度峰值B_z=309 mT,横向磁通密度B_t=2.86 mT,B_t/B_z=0.92%。     

基于螺线盘聚焦径向电子束的理论分析与仿真研究

对径向电子束在浸没式聚焦条件下的传输特性进行了理论分析,得到了束流传输过程中轴向扩张幅值与外加引导磁场强度之间的解析表达式。阐述了螺线盘在空间中任意一点产生磁场的理论,给出了通以相反方向电流的螺线盘之间磁场的分布规律。设计了一种基于螺线盘聚焦径向电子束的引导磁场系统,并对电子束的传输特性进行了仿真研究,结果表明径向电子束能够在设计的引导磁场系统下实现束流的稳定传输。     

开口磁环的周期聚焦系统仿真分析与实验

当前行波管周期永磁聚焦系统的波端口位置处的磁环通常采用单向开口磁环。在波端口位置引入波导阻抗调谐支节的基础上,提出了两种不同的双向开口磁环结构。利用三维电磁仿真软件Opera-3D,分析了双开口磁环的中心轴线附近的磁场,并据此进一步介绍了带双开口磁环周期永磁聚焦系统的设计方法。为了验证带双开口磁环的周期永磁聚焦系统应用的可行性,设计和测试了一套E波段折叠波导行波管电子光学系统。在行波管试验中,电子枪发射电流83 mA,带双开口磁环的周期永磁聚焦系统聚焦的电子束流通率达到99%。     

螺旋线行波管返波自激振荡的研究

 在2维小信号模型的基础上，分析了均匀和周期永久聚焦磁场对抑制返波自激振荡的影响。研究结果表明：改变聚焦磁场的幅值或周期来增加起振长度是可能的， 而且不会改变基波的互作用条件。与此同时，对起振长度、初始非同步速度参量随皮尔斯增益参量、空间电荷参量、损耗参量等的变化，以及在超宽带行波管中当存在两个或多个角向非对称空间谐波时,起振长度、初始非同步速度参量随周期永久聚焦磁场的变化进行了研究。优化设计聚焦磁场、电子注和螺旋线慢波系统的参量可以对螺旋线行波管的稳定性分析提供必要的依据。     

Ka波段8路径向波导空间功率分配(合成)器

通过理论研究以及高频仿真相结合的方法分析设计了一款新型Ka波段8路径向波导空间功率分配(合成)器。研发的新结构输入输出段为标准矩形波导结构,代替了传统功率分配(合成)器输入输出段的同轴结构,这种新型全金属结构更加简单紧凑,更易于加工。仿真结果表明:功率分配(合成)器工作带宽达到了34%(12GHz),基本覆盖整个Ka波段;全频带内反射系数S11低于-20dB,各支路的相位差均小于5°。通过在同轴波导渐变段引入切比雪夫渐变结构,在减小了器件尺寸的同时,在整个频带内的网络S参数也不错。这款新型Ka波段8路径向波导功率分配(合成)器将应用于前级固态功率放大器,推动回旋行波管项目研发。     

G波段分布作用速调管用新型周期永磁聚焦系统

提出了一种新型周期永磁(PPM)聚焦系统,其中,每半个周期的这种PPM聚焦系统由1件极靴和5块永磁体共同组成,第1、第3、第5块永磁体与第2、第4块永磁体的极化方向相反,且任何相距半个周期的2块永磁体均具有相反的极化方向。采用MTSS2018对这种新型PPM聚焦系统的磁场进行了计算,结果表明新型PPM聚焦系统的轴线上磁感应强度Bz具有显著的第3次和第5次空间谐波,在过0点后能够更快上升到峰值,整体构型十分接近具有理想矩形分布的PPM系统。采用MTSS2018对G波段分布作用速调管(EIK)所需的电子枪进行了模拟计算,并采用上面计算的Bz对该电子注进行聚焦,获得了电子注电压为22 kV,电子注电流为215 mA的电子注,电子注最大半径为0.08 mm,满足G波段EIK的应用要求。计算中的峰值磁感应强度仅为1.2√2BB,说明新型PPM聚焦系统与传统PPM聚焦系统相比,可以在较低的峰值磁感应强度的条件下实现电子注的有效聚焦。     

Periodic permanent magnet focusing system with high peak field

In this study, hybrid periodic permanent magnet (PPM) system is studied, which has high axial magnetic field and low magnetic leakage. By simulation computation, some laws of magnetic field distribution vs. structure dimensions were obtained. A hybrid PPM is designed and constructed whose peak field reaches 0.6 T. The factors inducing discrepancies between computational results and practical measurements are analyzed. The magnetic field distribution is very sensitive to the variations of constructional parameters. Construction accuracy greatly influences the magnetic field distribution. Research results obtained here are potentially valuable for future work.     

锁频锁相的高功率微波器件技术研究

综述了中国工程物理研究院应用电子学研究所锁频锁相的高功率微波器件最新研究成果,主要包括稳频稳相的相对论速调管放大器和注入锁相的相对论返波管振荡器.针对高功率长脉冲相对论速调管研究中遇到的问题,介绍了该放大器的束波互作用特点、杂频振荡抑制、脉冲缩短、高频段高功率运行、高增益等物理、设计与实验中的关键技术研究概况,使其功率、相位稳定性、增益等性能有了显著提高,S波段环形单注相对论速调管实现了高功率稳相输出,重频25 Hz运行时输出功率大于1 GW,脉宽大于150 ns、相位波动18°,高增益运行时在注入微波功率数kW条件下也实现类似功率和相位水平;采用同轴多注器件结构,突破了速调管高频段运行条件下高效率电子束引入和高功率束波转换技术等难题,使X波段相对论速调管在注入功率30 kW条件下实现了功率大于1 GW的放大输出,效率为34%,相位波动为15°.在掌握相对论返波管技术的基础上,利用返波管的高效率和结构紧凑的优点,开展了注入调制电子束锁相的相对论返波管研究,采用百kW级的种子微波实现了对GW量级输出微波的相位锁定.该研究结果对功率合成、粒子加速和多功能雷达等技术具有重要的推动作用.     

W波段同轴静磁波荡器自由电子激光优化设计

基于同轴静磁波荡器的自由电子激光主要利用环形电子束与同轴TE模式的相互作用产生电磁辐射,是一种重要的毫米波辐射源。分析了同轴结构作用区内外半径、工作模式、电子束电压、波荡器周期等参数对辐射频率的影响规律,研究了电子束平均半径的选取原则和束波互作用腔的设计方法,设计了辐射频率在W波段的基于同轴静磁波荡器的自由电子激光,并进行了粒子模拟,在电子束电压为720 kV,电子束流为1 kA的情况下,获得了频率107 GHz、辐射功率35 MW的TE01模,束波转换效率为4.9%,束波作用腔总长度小于200 mm,同轴静磁波荡器的磁场幅度0.34 T。     

一种新的永久周期磁铁聚焦的高功率宽带放大器

 提出了一种新的高功率宽带放大器，它由速调管和自由电子脉塞组成，用永久周期磁铁聚焦。研究了这种器件的电子束聚焦、群聚和辐射。在速调管提供一阶调制系数为30%，波导管的半径1.51cm，摇摆器的磁场振幅0.16T，周期7.92cm，电子束的电压490kV，电流50A和半径0.368cm的条件下，预估这种器件的辐射波频率为11.4GHz，输出辐射功率为18MW，输出辐射带宽为44%。     

S波段相对论速调管放大器锁相特性

对相对论速调管放大器（RKA）锁相特性进行了粒子模拟与实验研究。在2.5维粒子模拟中,研究了电子束电压波形特征对RKA锁相特性的影响,结果表明:电子束电压波形上冲对RKA锁相特性有正面影响,即能够减小相位差达到锁定状态的时间,幅度为20%的上冲导致大约23的相位差变化;波形顶降则对RKA锁相特性有负面影响,可使相位差过早地偏离稳定值,幅度为5%的顶降大约能引起50的相位差偏离;电压波形的上升时间对RKA相位锁定特性也有影响,但规律不明显。在三维粒子模拟和实验中,研究了导引磁场大小对RKA锁相特性的影响,结果表明,在1.6 T以下,RKA输出微波与种子源微波之间的相位差锁定值总体上随导引磁场的增大而减小,在细节上,呈现阶跃形式,即一定范围内导引磁场大小变化不会导致相位差的改变。实验研究表明,在导引磁场范围为0.6~1.2 T时,RKA锁定相位差随导引磁场的增大而减小,阶跃现象不明显。