低磁场S波段相对论返波振荡器的工作特性

为了实现高功率微波发生器的小型化,开展了S波段低磁场相对论返波振荡器工作特性的研究工作。由于S波段返波振荡器频率低,对应的电子回旋共振磁场强度也很低,因此低磁场条件下面临着电子束传输效率低和束波互作用效率低两大问题。为解决上述问题,采取下列措施:通过加大电子束与器件内壁的距离,提高电子束传输效率;采用较深的慢波结构作为提取腔,实现高束波互作用阻抗;提取腔前采用浅深度慢波结构,使提取腔区域的电子速度与微波相速同步。粒子模拟证明,以上措施有效,在引导磁场强度仅为0.17 T、电子束电压435 kV、电流6.5 kA的条件下,该返波管获得功率为670 MW、效率约为25%的输出微波。相对于常规S波段相对论返波振荡器的磁场系统(B=0.8 T),适用于该返波管的0.17 T低强度磁场系统螺线管外半径下降了20%,能耗下降了约93.8%。     

170GHz兆瓦级同轴回旋振荡管的分析计算

回旋管是最有希望应用于正在实施的国际热核实验反应堆计划的微波源器件,然而研究设计符合要求的回旋管还存在很多困难需要解决.对170 GHz兆瓦级光滑同轴回旋管的注-波互作用进行了研究.选取模式谱相对稀疏的TE31,12作为工作模式,利用Matlab编制源程序,计算了同轴回旋管的注-波耦合系数、起振电流.在考虑电子速度零散、腔壁电阻率和单模近似的基础上,对光滑同轴谐振腔的优化设计和注-波互作用进行了仿真,给出了磁场、电压、电流和内导体倾角等参量与回旋管效率的关系.结果表明,电压和磁场对回旋管效率影响较大,电子速度零散对回旋管效率影响较小,因而可降低电子枪的设计要求.此外,优化内导体倾角和同轴谐振腔结构参数可提高注-波互作用效率,降低电子速度零散对互作用效率的影响,获得了约50%的电子效率及1.7 MW输出功率.     

全三维110GHz和220GHz同轴腔双注回旋管数值模拟研究

为了打破传统单注回旋管只能产生较低功率的局限性, 本文基于自主研发的PIC粒子模拟软件CHIPIC 对110 GHz和220 GHz同轴腔双注回旋管进行全三维数值模拟研究. 在理论分析同轴双电子注电子枪设计模型和初始参数的基础上通过CHIPIC对其进行优化设计, 得到了具有横纵速度比为1.0, 最大速度零散约为5.4%的高性能电子束; 并将此优化后的双阳极双注电子枪取代传统回旋管数值模拟时采用的回旋 发射进行110 GHz和220 GHz双注回旋管整管的数值模拟, 并采用MPI四进程并行计算, 最终获得了具有双频分别为110 GHz和220 GHz、模式为TE₀₂模、平均输出功率约在70 kW、 效率达到8.75%的高性能双注回旋振荡管. 关键词： 同轴腔双注回旋管 同轴双电子注电子枪 横纵速度比 速度零散     

W波段二次谐波突变复合腔回旋管数值模拟

 通过对二次谐波低电压突变结构复合腔回旋管中谐振腔结构、模式竞争以及电子注-波互作用的研究,分析了高频结构特性、寄生模式的抑制和工作参数优化等问题。给出了3 mm 二次谐波低损耗TE₀₂/TE₀₃模式回旋管的模拟设计结果。计算采用了坡度磁场,互作用效率得到显著提高。PIC粒子模拟结果表明:在电子注电压25 kV、电流4 A、纵横速度比1.6、工作磁场1.72 T时,回旋管可获得37 kW 的输出功率,横向运动能量转换效率高达51%,器件效率为37%。     

HL-2A装置ECRH系统回旋管超导磁体的调试

为了在HL-2A装置上开展电子回旋共振加热实验研究，我院从俄罗斯GYCOM公司引进了两套4mm回旋管。它们均配有一个超导磁体系统，提供回旋管所需的磁场位形。回旋管中的磁场不仅仅起聚焦作用，更重要的是形成回旋电子束必不可少的，其作用为：（1）电子要产生回旋运动必须要有磁场；（2）回旋电子束要获得足够强的横向能量必须有足够强的绝热压缩量。通过调试测量了磁体磁场分布，确定了磁体工作电流及回旋管工作频率。     

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。     

相对论速调管三轴提取腔的分析与设计

分析了同轴漂移管中电子束的空间电荷限制流和能量分布，为了降低S波段相对论速调管放大器(RKA)中电子束空间电荷效应及势能，提高RKA的束波转换效率，提出了三轴结构的输出腔，理论分析RKA的束波转换效率达到36%，比同轴提取腔的束波转换效率提高了9个百分点. 采用数值计算程序设计了三轴提取腔，粒子模拟了S波段RKA的微波提取，取得了与理论分析一致的结果. 采用590kV/5kA的空心电子束，经过预调制腔和群聚腔等两个腔的调制后，采用三轴提取腔提取微波，得到了约1.0GW的微波功率，效率35%. 理论研究结果与实验结果吻合得较好. 关键词： 相对论速调管放大器 三轴提取腔 空间电荷限制流     

毫米波回旋速调管磁控注入电子枪模拟计算

介绍了毫米波回旋速调管磁控注入电子枪的结构与特点。电子枪提供的电子束流性能直接影响到回旋速调管的总体参数，为保证整管的效率和输出功率，利用电子枪模拟程序对电子轨迹进行模拟计算，研究了电极形状、磁场分布以及电子轨迹与电子注参量的影响，并为磁控注入电子枪的设计提供了理论依据。     

新型反馈式轴向同轴虚阴极振荡器

提出一种利用低磁场导引环形电子束在同轴波导内轴向激励虚阴极振荡的新型虚阴极振荡器.利用反馈式结构,使虚阴极在由反馈环、阳极箔和同轴波导构成的高品质因子准谐振腔内形成.作用腔内环形电子束激励同轴波导TM₀₁模式,在相对低品质因子的同轴提取区转化为TEM主模输出.用25维KARAT粒子模拟软件研究得到束波功率转换效率12%,输出微波平均27 GW,中心频率38 GHz. 关键词： 环形电子束 轴向导引磁场 同轴波导 反馈环     

一种新型径向三腔同轴虚阴极振荡器全三维粒子模拟研究

提出了一种新型径向三腔同轴虚阴极振荡器,并进行了数值模拟研究. 研究表明: 这种径向三腔结构在束波转换面进行电场调制,能够大幅提高束波转换效率;同时,由阳极栅网和径向三腔结构构成的谐振装置能有效地抑制模式竞争;另外,由于采用了同轴引出结构,在提高能量引出的同时还能有效吸收漂移管中被利用过的电子,因此这种新型虚阴极振荡器能够获得较高的输出功率. 模拟的电子束电压为400 kV,电流为50 kA,主频为4.5 GHz,峰值功率达到6 GW,平均输出功率为3.1 GW,束波转换效率达到15%. 关键词： 高功率微波 同轴虚阴极振荡器 粒子模拟 束波转换效率     

Efficiency Enhancement of Coaxial-Cavity Electron Cyclotron Resonance Maser by Tapering Guide Magnetic Field

A coaxial-cavity cyclotron resonance maser (CRM) oscillator with tapered guide magnetic field is proposed. It is shown that the transmission quality can be improved by tapering the guide magnetic field. Simulation indicates that the efficiency of a millimeter-wave gyrotron oscillator may be reached up to 38.7% by optimizing the tapered magnetic field.     

磁场预增强的锥型波荡器

研究了波荡器磁场增强对提高自由电子激光器效率的影响。模拟计算发现采用磁场增强波荡器能使自由电子激光器的效率提高到１７．６％，采用磁场预先增强而后又增弱的锥型波荡器则能获得高达４３．３￥的输出效率，自由电子激光器的功率得到进一步的提高。     

曙光一号自由电子激光器的理论计算

系统总结曙光一号自由电子激光器理论计算的主要结果:包括曙光一号装置主要参数的选取和理解;磁场失谐曲线的计算;常参数摇摆器和变参数摇摆器的主要结果;高阶波导模的贡献;电子束参数扰动对激光性能的影响;空间电荷效应等。计算结果表明,常参数摇摆器激光输出功率可达80MW,效率约50％;变参数摇摆器激光输出功率可达250MW左右,效率约16％。     

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。     

Self-consistent simulation of cyclotron autoresonance maseramplifiers

A self-consistent, one-dimensional model of the cyclotron autoresonance maser (CARM) amplifier is developed, and numerical simulations based on this model are described. Detailed study results of the CARM gain and efficiency for a wide range of initial energy and velocity spreads are presented. The interaction efficiency is found to be substantially increased when the axial magnetic field is tapered. Efficiencies of greater than 41% are obtained for a 140-GHz CARM amplifier with a tapered axial magnetic field and a 700-kV 4.5-A electron beam with parallel velocity spreads of less than 1%. A discussion of the nonlinear bandwidth and interaction sensitivity to axial-field inhomogeneities is presented     

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.     

x强流相对论环形电子束在低磁场中传输分析

 用理论和粒子模拟相结合的方法分析了强流薄环形相对论电子束在低磁场导引下，在均匀波导，无箔二极管，以及锥形波导和渐减磁场位形条件下的传输过程，研究了束包络的波动和如何减少波动的问题。分析表明：在无箔二极管中一个适当渐增的磁场位形可以有效地抑制束电子的径向运动，从而减少电子在波导中的波动幅度；电子束在锥形波导和渐减磁场位形中运动，不会增加束电子的波动。因此适当的磁场位形可以降低微波器件对导引磁场的要求，有利于实现永磁包装微波器件。     

一种高功率宽带回旋行波放大器

 研究了一种X波段高功率宽带回旋行波放大器，它由改变了局部周期的矩形盘荷波导组成，并采用锥化引导磁场和盘的高度来提高增益和带宽。分析了器件的线性特性。利用全电磁（PIC）三维模拟程序EMC进行了数值模拟，结果表明：可以得到功率介于88~103kW，相对带宽介于16.63%~24.11%的不同微波输出。     

A scheme to enhance the conversion efficiency of slow‐wave electron cyclotron masers in the large signal approximation

Based on the anomalous Doppler effect, we propose a scheme to improve the practicability of slow‐wave electron cyclotron masers in the large signal approximation. This scheme simultaneously contains the tapered guiding magnetic field and tapered refractive index. Numerical calculations show that this scheme enables the conversion efficiency to reach a higher value within a shorter time than previous schemes. Besides, this scheme also works well in the cases of THz wave band and beam axial‐velocity spread.     

Effects of tapering on gyrotron backward-wave oscillators

Computer modeling has been utilized to guide gyrotron backward-wave oscillator (gyro-BWO) experiments at the University of Michigan over a wide range of tapered interaction regions and tapered magnetic fields. E-GUN code is used to examine beam and diode characteristics, while MAGIC is used to analyze the dynamics of the problem, such as particle kinematics and microwave power production. Several innovative techniques are used to create matching boundary conditions for a backward propagating wave. MAGIC simulations predict optimum performance of the gyro-BWO operating in a TE₀₁ mode within a combination of uniform interaction region and a tapered axial magnetic field which increases 7.5% in the direction of beam propagation. Experiments have been performed to investigate the effects of tapering magnetic fields and tapered interaction region radii on the high-power microwave emission from the gyro-BWO over the frequency range from 4.0 to 6.0 GHz. These experiments were performed on the Michigan Electron Long-Pulse Accelerator (MELBA) with parameters: V=-0.7 to -0.9 MV, I_diode=1-10 kA, I_tube=1-4 kA, T_e-beam =0.4-1.0 μs. Tapered interaction regions of 37%, 23%, 9.4%, and 6.4% were built and tested to determine their effect on microwave power, pulselength, and inferred energy compared to the uniform interaction region. Magnetic tapering trim coils with a range of -10.6%<ΔB/B₀<+15.0% were constructed which allow the orientation of the field taper to be changed without breaking the vacuum. The peak microwave power from individual shots was from 30 to 55 MW. Experiments on magnetic field tapering indicate that positive tapered fields improve microwave power and energy output