强流相对论环形电子束自调制振荡研究

 主要研究了强流相对论环形电子束在等位谐振腔内的非线性自调制振荡，用小信号理论分析了电子起振的条件，得出了电子起振的扰动频率。基于该理论分析，又提出了一种不外加磁场的新型高功率微波器件，该器件主要由一个圆柱谐振腔和一个同轴波导输出腔构成。用2.5维MAGIC粒子模拟软件对该非线性过程进行数值模拟，分析了输入电压、电流对输出微波功率的影响。模拟结果表明这种结构中确实存在非线性不稳定性，自调制的扰动频率则由电子束的初始能量、电荷密度和电子束的半径以及谐振腔的空间结构给定。利用谐振腔长为4.7 cm、二极管电压为2.8 MV、电流为20 kA的电子束，可以得到频率为4.29 GHz、功率为6 GW的微波输出，束-波转换效率约为11%。     

Ku波段同轴渡越辐射振荡器的数值模拟

当传统高功率微波器件向高频段拓展时,器件尺寸的缩小将造成空间极限电流及功率容量的减小。基于此提出一种Ku波段同轴结构的渡越辐射振荡器。通过引入同轴结构,器件内部的空间极限电流及功率容量得到了有效提升。调制腔采用三谐振腔结构,与两腔结构相比,调制电子束的能力明显增强。采用高频场软件对调制腔和输出腔进行了冷腔分析。利用2.5维粒子模拟软件对Ku波段同轴渡越辐射振荡器进行了数值模拟,在导引磁场0.6 T、二极管电压392 kV、电流15.2 kA的条件下,在中心频率为14.184 GHz处获得1.2 GW的高功率微波输出,功率转换效率达20%。     

径向三腔渡越时间振荡器数值模拟

 基于渡越辐射机理结合径向结构的低阻抗特性,提出了一种新型的低阻抗高功率微波器件——径向三腔渡越时间振荡器,它由3个等间距的边耦合同轴腔组成,径向运动电子束与谐振腔中的角向均匀模式场相互作用。采用PIC粒子模拟程序进行了模拟研究。在电子束能量450 keV、束流60 kA且无外加引导磁场的条件下,当结构参数网长为4.8 cm,腔间距为1.4 cm,电子发射面为0.8 cm,内径为8 cm时,获得了平均功率7.4 GW,频率4.1 GHz的微波输出,效率达27.4%,阻抗7.5 Ω。通过粒子模拟给出了束波互作用效率随电子束电压、电流以及谐振腔间距的变化曲线,电子束电压对输出微波频率的影响曲线以及不同谐振频率与最佳谐振腔间距的对应曲线,这些曲线表明该器件具有渡越时间效应的基本特征,属于渡越辐射器件,且具有对电子束质量要求不高的特点。     

新型径向三腔同轴虚阴极振荡器的模拟研究

 提出了一种新型的径向三腔同轴虚阴极振荡器，并对其进行了理论分析和数值模拟。这种虚阴极振荡器采用径向三腔结构，通过改变束-波互作用区的电场分布来提高电子束与TM₀₁模式的耦合效率，并通过采用准谐振腔的结构来进一步抑制模式竞争以获得较高的输出微波增益。同时采用能量同轴提取的方式进一步提高器件的功率和效率。粒子模拟结果表明，在二极管电压400 kV，束流50 kA的条件下，径向三腔同轴虚阴极振荡器在4.14 GHz处获得了平均功率约2.45 GW的微波输出，功率转换效率达到12％。输出微波模式纯度较高，频谱非常窄。     

新型高功率径向强流速调管振荡器

 提出了一种新结构的高功率径向强流速调管振荡器,该器件利用折叠式同轴谐振腔的微波场与接近空间电荷限制电流的径向电子束强烈相互作用产生高功率微波。首先对这种器件的实现机理进行了初步的分析，提出了有间隙电压情况时的径向同轴间隙的空间电荷限制电流1维近似估计模型。分析表明：对于电子束直流接近但小于直流空间限制电流的径向速调管，当有调制间隙电压时，空间限制电流要小于无调制间隙电压情况下的直流空间限制电流，径向强流电子束电流接近和超过空间电荷限制电流时会出现强烈的调制。然后用PIC程序对其特性进行了粒子模拟，在二极管输入电压500 kV、电子束电流为30 kA条件下，最终得到了峰值功率6 GW、频率1.3 GHz的微波输出。     

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     

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     

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。     

TE11模式增强型高效率同轴虚阴极振荡器

 在阴阳极严格同轴的条件下，理论分析表明同轴虚阴极振荡器中TE₁₁模式与TM₀₁模式与径向入射电子束的谐振耦合具有近似的作用效率。3维PIC数值模拟结果显示，即使在圆对称结构下，输出波导中非角向均匀模式在输出功率中也占有较大成分。因此，同轴虚阴极振荡器中TE11模式与电子束之间的谐振作用对器件效率的影响不可忽略。通过引入结构的不对称性以及TE11模式反射器可以抑制电子束与TM₀₁模式之间的谐振作用，从而起到抑制同轴虚阴极振荡器系统中模式竞争的作用，因此可以提高电子束到微波的功率转换效率。实验结果表明，采用阴阳极非均匀对称结构的TE₁₁模式增强型同轴虚阴极振荡器可以大幅度提高效率，在优化参数条件下获得功率转换效率约7％，输出功率大于1.0 GW的实验结果，该功率约为近似严格同轴结构的2.5倍。该研究结果可以为高效率同轴虚阴极振荡器装置设计与实验结果分析提供基本理论依据以及参数确定基础。     

新型双间隙虚阴极振荡器的理论分析和数值模拟

 该新型双间隙虚阴极振荡器的互作用区为一带孔金属薄膜隔开的两个圆柱形谐振腔；器件采用侧向提取同轴输出的方法，具有输出效率高和输出模式纯的优点；第一阳极薄膜采用了局部薄膜结构。对互作用腔进行冷腔分析，计算得到互作用腔Ⅰ和Ⅱ的品质因子分别为6 960和71.8，共振频率为2.3 GHz。当电子束电压为515 kV、电流为10 kA时，通过参数优化，模拟得到周期平均峰值功率大于570 MW、频率约2.4 GHz的微波输出，效率达到11%。模拟还发现电子束的最佳阻抗值约为51.5 W；电子束的输入功率在较大范围内变化时，器件的输出效率保持大于10%；在一定的范围内，器件的输出效率随电子束密度的增加而增加。对器件中由于电子能量沉积而引起的阳极膜的温升进行了估算，得到膜的最高温度为434 K，远低于熔点933 K。     

同轴虚阴极微波输出模式分析

 对不同透过率的阳极网进行实验研究，得到了主频为3.4 GHz和3.7 GHz的辐射微波，对同轴虚阴极内的电子束分布进行了分析。对同轴虚阴极内的本征模式进行了计算，并与实验结果进行比较。实验结果表明：网内电子束的分布对微波输出模式有重要影响；同轴虚阴极微波频率是阴阳极间距及谐振腔共同作用的结果；阳极网透过率对频率有显著影响，透过率越高，则微波频率相应提高。     

同轴虚阴极振荡器数值模拟

 给出了同轴型虚阴极振荡器的数值模拟和部分理论分析结果, 指出许多几何结构参数包括阴极宽度、二极管间隙等都对输出微波的频率、带宽和能量转换效率有较大的影响。给出了这些参量之间关系的数值模拟结果，在一定程度上为同轴虚阴极振荡器的实验研究提供了理论基础。     

轴向反馈式虚阴极振荡器的频率特性

 采用粒子模拟和实验相结合的方法对轴向反馈式虚阴极振荡器进行了研究。结果表明，轴向反馈式虚阴极振荡器能够有效地锁定微波频率，提高输出功率。在二极管电压为450kV，束流为22kA的条件下，当阴阳极间距大于1.3cm时，辐射微波主频约为3.5GHz，此时与腔的耦合较好，微波辐射功率较高；当阴阳极间距小于1.3cm时，辐射微波主频约为4.8GHz。实验和模拟符合得较好。     

新型虚阴极振荡器的研究

 采用小信号理论，在考虑到透射、反射束电子不同作用下，分析了虚阴极振荡器产生微波的机制，获得了计算微波主频的方法，讨论了增强束波作用效率的方法，并提出一种新型结构的虚阴极振荡器。该振荡器的阳极后放置了一个谐振腔，谐振腔长度很小，虚阴极不能在其中形成，谐振腔受到反射电子束激励并建立强场，场对入射电子进行调制，同时采用同轴结构引出微波。利用2.5D PIC 程序对新型的结构进行了数值模拟，验证了理论分析的正确性。在入射电子束电子能量为520keV和电子束流12.5kA的条件下，获得微波平均功率为1GW，频率为3.66GHz，平均束波转换效率为15.3%。     

Results from an X-band coaxial extended length cavity

Experiments and simulations demonstrate high-power microwave generation at 9 GHz in a coaxial geometry. The 9 cm diameter annular electron beam is propagated between inner and outer drift tube conductors, a configuration which increases the beam current and reduces the structure fields from existing high-power sources, Since the TEM mode of the coaxial guide reduces the quality factor of small-gap cavities, especially at high frequency, the interaction is provided by an extended length cavity loaded with dielectric. A single 16 cm cavity generates 200 MW of power from the 400 keV, 7 kA electron beam. Although the cavity can oscillate at a number of resonances, a single mode is selected with 10-30 kW of input power from a magnetron. A coupler samples 25 MW of the power from the interaction region, precisely measured using a single-shot calorimeter. Simulations indicate that the efficiency of the device is limited to 7% by saturation effects, and can be improved by reducing the length of the cavity     

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     

Simulation and design of an X-band overmoded input cavity

The RF input cavity is an important component for velocity-modulating types of microwave device,providing velocity modulation and density modulation.Conventional RF input cavities,however,encounter the problem of power capacity in the high frequency band due to the scaling law of the working frequency and device size.In this paper,an X-band overmoded input cavity is proposed and investigated.A resonant reflector is employed to reflect the microwave and isolate the input cavity from the diode and RF extractor.The resonant property of the overmoded input cavity is proved by simulations and cold tests,with PIC simulation showing that with a beam voltage of 600 kV and current of 7 kA,an input power of 90 kW is sufficient to modulate the beam with a modulation depth of 3%.