双共焦波导结构二次谐波太赫兹回旋管谐振腔设计

准光共焦波导具有功率容量大、模式密度低的特点,能够有效地减少模式竞争对回旋管互作用的影响,有利于高次谐波太赫兹回旋管的设计.为提高太赫兹准光回旋管的互作用效率,在共焦柱面波导的基础上,研究了一种新型高频互作用结构——双共焦波导结构,设计了一种330 GHz二次谐波双共焦结构回旋管谐振腔并对其进行了理论分析和粒子模拟.研究结果表明,双共焦谐振腔中的高阶模式能够与高次电子回旋谐波发生稳定的相互作用,并且没有模式竞争现象,具备工作在太赫兹波段的潜力.相比普通共焦波导谐振腔,双共焦谐振腔能够增强准光回旋管的注波互作用强度,提高回旋管的输出功率和工作效率.此外,结果还表明双共焦波导中的电磁波模式是一种由两个独立的共焦波导模式叠加而成的混合模式.利用这种混合模式有望实现太赫兹回旋管的单注双频工作,为新型太赫兹辐射源的研究提供了新的途径.     

回旋管光子带隙谐振腔冷腔电磁模式分析

利用二维三角格子金属光子带隙谐振腔代替回旋管的传统柱形谐振腔,并对腔体进行了TE波模式的计算与分析.综合考虑腔体内外的结构特征,给出了光子带隙谐振腔冷腔模式理论的研究方法,发现腔内存在单模工作的可能与条件以及非角对称情况下的电磁模式分布特征.研究结果表明,利用光子带隙谐振腔代替回旋管的传统腔体,可使回旋管在不受腔体横向尺度限制的条件下实现单模工作.这对于提高回旋管的功率容量、有效实现高次单模与高次回旋谐波耦合条件下的注-波互作用、降低工作磁场并从物理上根本改变回旋管的工作状态提供了理论依据. 关键词： 回旋管 金属光子带隙 谐振腔     

95 GHz三次谐波回旋管设计

采用线性理论和非线性理论研究了回旋管谐振腔结构、寄生模式抑制及注波互作用等问题。设计了一支工作在95 GHz的三次谐波回旋管,注波互作用结构采用标准开放式谐振单腔,工作模式为TE64, 采用电压45 kV、电流5 A、横纵速度比为1.5的小回旋电子注。在不考虑电子注速度离散及厚度的情况下,非线性理论分析表明,该回旋管可以获得14 kW功率输出,横向互作用效率约为18%,整管效率约11%。     

波瓣波导谐振腔太赫兹回旋管的研究

以电子回旋脉塞非线性理论为基础, 结合三维电磁仿真软件, 通过导入高频场数值解替代理论解析的方法, 对波瓣波导谐振腔高次谐波太赫兹回旋管进行了理论和模拟研究. 给出了该类回旋管的起振电流、耦合系数以及注波互作用效率等重要参数, 并在此基础上设计了一只工作频率为0.4 THz, 工作模式TE₃₃模三次谐波波瓣波导谐振腔回旋管, 其电子注参数为1.0 A, 40.5 kV, 横纵速度比1.5,互作用区引导磁场为5.09 T, 输出功率达到3.3 kW.     

突变复合腔回旋管自洽场理论与模拟

研究了具有突变结构复合腔回旋管注波互作用自洽非线性理论.用场匹配方法处理了腔中的突变结构,从具有电子流源的普遍传输线方程出发,研究了腔中注波互作用非线性理论,在腔直径渐变部分考虑了模式之间的耦合.利用此非线性理论模型,对突变结构复合腔三次谐波回旋管中电子流与H511—H521模式对的高频场互作用进行了详细数值模拟,得出了许多有价值的结果.计算结果表明,在合适的腔体结构尺寸下,注波互作用效率可大于25%. 关键词：     

连续调谐太赫兹回旋管非稳定振荡状态研究

太赫兹回旋管可实现高功率输出,并具有一定的频率调谐范围,是核磁共振波谱系统理想的高功率太赫兹辐射源。设计了263 GHz,TE_5,2基波连续调谐回旋管,通过磁场调节实现频率调谐范围为1.39 GHz,利用时域多模多频自洽非线性理论对设计的连续调谐回旋管非稳定振荡状态进行了研究。结果表明,在低次纵向谐波模式工作磁场范围内,当工作电流大于起振电流时,连续调谐回旋管先进入稳定状态,高次纵向谐波模式被抑制,工作模式TE_5,2的输出功率随时间不变;当电流增大,纵向谐波模式间的竞争引起回旋管由稳定状态进入到非稳定振荡状态,工作模式TE_5,2的输出功率随时间呈振荡变化且互作用效率大大降低;随着电流的进一步增大,回旋管又回到与低电流不同的稳定状态,互作用效率进一步降低。同时发现非稳定振荡状态的起始电流随着磁场增加而增大。本研究对需工作于稳定状态的面向DNP-NMR应用的连续调谐太赫兹回旋管的研制具有一定指导意义。     

220 GHz三次谐波光子带隙谐振腔回旋管振荡器的研究

提出了一种220 GHz三次谐波光子带隙谐振腔回旋管振荡器的物理结构.利用光子晶体高频带隙确定了回旋管高阶电磁模式类TE63和三次电子回旋模的互作用状态.通过非线性理论,研究了腔内类TE63和类TE92模的弱模式竞争,得到了有利于回旋管三次谐波起振的工作条件和起振过程的非线性特征,其结果与粒子模拟基本一致.研究表明,利用光子带隙谐振腔的禁带特征,回旋管中高阶电磁模与高次电子回旋模能够发生有效的互作用关系被得到证实.     

94GHz基波复合腔回旋管数值模拟

通过对94 GHz基波复合腔回旋管中谐振腔结构、电子注参数以及注-波互作用过程的模拟计算研究,分析了复合腔回旋管的高频结构特性和工作参数优化问题.给出了基波H61 -H62模式对复合腔回旋管的模拟设计结果.数值模拟结果表明:在电子注电压40 kV、电流5A、电子横纵速度比1.3、工作磁场3.6T时,回旋管可获得78 k...     

共焦波导结构回旋行波管的设计与仿真

针对0.14 THz大气窗口,利用CST微波工作室和3维粒子模拟软件,对共焦波导结构的太赫兹回旋行波管进行了冷腔色散和注波互作用的模拟研究。以TE06模式作为互作用工作模式,在电压为35 kV、电流为2 A、横纵速度比为0.85的电子束参数下,当输入信号为1 W时,得到最高2 kW的微波功率输出,3 dB带宽为3.5 GHz,增益为30 dB。     

94GHz缓变结构回旋管设计与数值模拟研究

通过分析广义传输线理论中的模式耦合系数,优化设计了一支94GHz光滑缓变结构回旋管,当电子注电压50kV,电流6A,横纵速度比1.4,工作磁场3.548 5T时,在频率94.099GHz处得到了41%互作用效率,约120kW的功率输出;与折变结构回旋管相比,缓变结构回旋管中的工作模式纯度提高约27dB,注波互作用效率提高约7%。基于自洽非线性理论计算的互作用效率与PIC模拟结果有较好的一致性。     

W波段连续波30 kW回旋振荡管高频系统和收集极的设计

 根据回旋管的电子回旋脉塞理论,借助于编写的回旋振荡管自洽非线性注-波互作用计算程序,设计出了工作频率94 GHz、工作电压30 kV、工作电流3 A的基次谐波连续波单腔回旋振荡管,工作模式为TE02模。设计的回旋振荡管在电压30.0 kV、电流3.0 A、速度横纵比1.5的条件下,获得了31.8 kW的输出功率,电子效率约35％。利用粒子模拟仿真软件对设计的回旋管收集极辅助线包散焦系统进行了粒子模拟仿真分析,模拟结果表明：借助于辅助线包散焦系统可以有效缩短回旋振荡管的轴向尺寸,并使回旋管收集极上的电子束功率密度低于500 W/cm2; W波段回旋振荡管收集极的热测试验结果表明：利用粒子模拟仿真获得的收集极上的电子束功率密度分布与其试验测量结果比较吻合。     

Startup and mode competition in a 150 GHz gyrotron

Conclusion The startup of a gyrotron with a tapered resonator section operating at 150 GHz in the TE03-mode has been investigated with special emphasis on mode competition. Calculations show that multimoding occurs only for high currents and a small range of magnetic field strengths. Thus pure TE03 operation with powers exceeding 200 kW seems to be possible for tapered resonatorsThe pulse shape of the power supplies has a great influence on the startup of the gyrotron, and should therefore always be considered in the study of mode competition.To better predict experiments gyrotron theory should be self-consistent. Recent work at the KfK [14] shows progress in this field. For the above diagrams some quantitative changes are expected, but the two main results of this work on multimoding and the influence of the power supply will remain valid. Experiments on the gyrotron, which started recently should confirm the predictions and give impulses for further developments in gyrotron theory.     

Electromagnetic Analysis and Cold Test of a Distributed Window for a High Power Gyrotron

A novel distributed window for output radiation from a high power 110 GHz gyrotron is made of thin slats of sapphire interleaved and brazed to hollow metal vanes. We report the results of electromagnetic theory and cold test of this distributed window. We calculate the frequency dependence of the reflectivity of a Gaussian beam from the window. The theory indicates a significant frequency shift of the minimum reflectivity with temperature rise of the sapphire slab. This effect is of great importance for high power operation. In cold test, the distributed window reflectivity was measured while the window was heated. The cold test results are in good agreement with the theory.     

High-power harmonic gyro-TWT's. I. Linear theory and oscillationstudy

A linear theory using Laplace transforms which is applicable to both gyrotron traveling wave amplifiers (gyro-TWTs) and gyrotron backward-wave oscillators (gyro-BWOs) is presented. The validity of the linear theory is verified by comparing it with an existing nonlinear self-consistent theory based on a different approach. In conjunction with a time-dependent multimode particle simulation code, the linear theory is applied to study the stability of harmonic gyro-TWTs. It is shown that a harmonic gyro-TWT can be made stable to all forms of spontaneous oscillations by employing a multistage interaction structure and that it can generate power levels far in excess of those possible for a fundamental gyro-TWT. The linear bandwidth of a second-harmonic gyro-TWT amplifier is also calculated     

基于预群聚的回旋管注入锁相研究

开展了40 kW预群聚注入锁相回旋管的理论与模拟设计。基于全电磁仿真方法完成了预群聚腔的设计,并采用给定场理论对电子束经过预调制腔后的群聚状态进行了计算。采用自洽理论获得了回旋管的自由振荡工作参数,并计算了振荡频率随各种参数变化的规律,由此提出了锁相带宽的要求。采用PIC粒子模拟进行了锁相状态的模拟,得到7 mm漂移距离下锁定增益可达30.5 dB,相应的锁相带宽为20 MHz。如果进一步增长漂移距离或者进一步增大输入功率,锁相带宽还会增大。理论计算和粒子模拟结果表明40 kW级回旋管注入锁相具有良好的可行性。