长脉冲相对论扩展互作用腔振荡器的初步研究

提出并研制成功了基于渡越时间效应、并开耦合孔锁定的长脉冲、重复频率运行的相对论扩展互作用腔振荡器(relativistic extended interaction cavity oscillator,REICO).将理论分析、数值模拟和实验研究紧密结合,分析了长脉冲REICO实验中模式竞争和脉冲缩短的根源,提出了开耦合孔的三间隙扩展互作用腔结构,有效抑制了长脉冲束流调制的模式竞争和脉冲缩短问题,使调制束流脉宽由60ns提高到140ns,调制电流幅度由2kA提高到5kA,通过优化REICO参数,使器件的辐射微波功率和效率有了明显提高.采用580kV/4·8kA/210ns/20Hz的电子束驱动S波段REICO,实现了峰值功率大于400MW、频率2·89GHz、脉宽大于160ns、重复频率20Hz的辐射微波稳定输出,功率效率27%,能量效率23%.同时,初步开展了注入微波锁定的REICO研究,也获得了功率大于400MW、脉宽大于100ns的微波辐射.     

开孔锁定长脉冲相对论扩展互作用腔振荡器的实验研究

提出并研制成功了开耦合孔锁定的长脉冲、重复频率运行的相对论扩展互作用腔振荡器(REICO)。将数值模拟和实验研究紧密结合,分析了长脉冲REICO实验中模式竞争和脉冲缩短的根源,提出了开耦合孔的三间隙扩展互作用腔结构,有效抑制了长脉冲束流调制的模式竞争和脉冲缩短问题,使调制束流脉宽由60 ns提高到140 ns,调制束流由2 kA提高到5 kA,经过优化REICO参数,使器件的辐射微波功率和效率有了明显提高。采用500 kV/4.2 kA/210 ns/20 Hz的电子束驱动S波段REICO,实现了峰值功率570MW、频率2.89 GHz、脉宽大于160 ns、重复频率20 Hz的辐射微波稳定输出,功率效率27%,能量效率23%。     

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。     

高功率微波的远场测量

 叙述了高功率微波的远场测量方法，并加以改进。采用改进后的方法对本实验室反射三极管装置所激励的高功率微波进行了测量，测得了辐射方向图，得到了辐射功率，分析了辐射模式。测量结果表明：微波辐射功率超过300MW，辐射频率为2.8GHz，微波脉宽约150ns，辐射模式包含TE₁₁等模式。     

X波段相对论返波管谐振反射器

基于TPG2000强流电子束加速器和带谐振反射器的相对论返波管振荡器,开展了X波段高功率微波产生实验研究,获得了功率约2.5 GW,脉宽约20 ns的微波输出。理论分析及模拟了不同倒角大小对谐振反射器的表面电场及截止性能的影响,并对不同倒角开展了实验研究。结果表明,对谐振反射器倒角可增加输出微波脉冲宽度,且随着倒角增加,微波脉宽增加,效率略有降低。在谐振反射器倒角5 mm情况下,利用电压900 kV,电流9 kA的强流电子束,实验获得了功率约2.5 GW、脉宽大于25 ns的微波输出。     

S波段相对论速调管振荡器研究

介绍利用20 GW加速器二极管产生的电子束源,开展S波段相对论速调管振荡器(RKO)的理论设计、粒子模拟和实验研究的情况.该RKO采用3个紧密耦合的圆柱腔作为振荡腔,束流经过一段漂移管的群聚后采用三轴输出腔提取微波.该振荡器具有起振时间快、结构紧凑、束波转换效率较高等优点.采用无箔空心阴极和0.9 T的恒流源磁场引出的电压1 MV、束流13kA、脉宽40 ns的环形电子束驱动RKO,单次运行输出了3.5 GW的辐射微波功率,效率27％,频率2.86 GHz,瞬时带宽2%;脉冲重复频率20 Hz运行时,输出 关键词： 相对论速调管 振荡器 三轴提取腔 高功率微波     

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%。     

X波段长脉冲高功率微波产生的实验研究

 获得长脉冲高功率微波（HPM）输出是HPM源技术追求的重要目标之一。从物理机理上分析了影响慢波结构HPM器件实现长脉冲HPM输出的因素,并利用长脉冲脉冲功率源和过模慢波结构HPM器件,开展了X波段长脉冲HPM产生实验。实验中,采用介质-铜阴极,并在慢波结构表面镀Cr,在导引磁场约0.7 T、二极管电压约400 kV、电流约10 kA、束流脉宽200 ns的条件下,获得了功率500 MW、脉宽约100 ns、主模为TM₀₁的X波段长脉冲HPM输出。对实验结果的分析表明,脉冲功率源与HPM器件的阻抗不匹配,是导致HPM器件输出微波脉宽比电子束脉宽短、以及HPM器件输出微波功率效率较低的主要原因。     

非线性传输线高功率实验北大核心CSCD

设计了基于交叉耦合铁氧体非线性传输线高功率射频微波产生系统,系统由脉冲形成线、非线性传输线以及高功率匹配负载(或组合振子辐射天线)组成。由100kV高压电源和高压微波电缆构成单传输线高功率脉冲形成线,形成线输出脉冲幅度35kV,脉冲半宽60ns。高压脉冲经过非线性传输线的脉冲压缩和调制,与高功率匹配负载相连时,实验得到了峰峰值31kV、中心频率308 MHz、3dB带宽为13%的射频振荡脉冲;与组合振子天线相连时,实验得到了中心频率380MHz、3dB带宽为12%的宽谱辐射。实验结果与数值模拟基本吻合。     

30GHz RF脉冲展宽器

RF脉冲展宽器用来把高功率窄脉冲变换为较低功率的长脉冲,CLIC实验装置CTFⅡ中的功率提取结构已经可以提供功率达280MW,脉宽16ns的30GHz RF脉冲,为了用它来研究加速结构的最高表面场强和脉宽的关系,设计了30GHz RF脉冲展宽器,完成了系统设计,微波部件的设计及加工,系统的调试,最后安装在CTFⅡ上,并成功进行了高功率实验.     

X波段高功率微波辐射场测量角锥天线特性

 利用电磁仿真软件模拟了不同结构角锥喇叭天线的增益特性,选择了增益较低的角锥喇叭天线作为X波段高功率微波测量天线。同时,对角锥喇叭天线电磁脉冲响应、有无法兰和有无直波导进行了数值计算和实验研究。数值计算结果表明：角锥喇叭天线不会对20 ns短脉冲波形产生大的影响,能够用于短脉冲测量;法兰和300 mm直波导对角锥喇叭天线增益的影响小于0.2 dB。实验结果表明：角锥天线增益随频率变化无振荡现象,300 mm直波导对角锥喇叭天线增益的影响小于0.2 dB,方向图主瓣宽度约为50°,适用于测试环境较复杂的高功率微波辐射场测量。     

C波段长脉冲相对论返波管设计与实验

从抑制强场击穿的角度出发,结合传统理论和相关粒子模拟方法,设计并优化了工作于C波段的长脉冲相对论返波管。模拟中,利用强流相对论电子束的空间电荷场效应,将3 GW功率水平下电动力学结构表面的最大发射电场控制在700 kV/cm以下。利用实验室700L脉冲功率驱动源平台开展了相关实验验证,实验结果表明,通过合理的结构设计,在功率3 GW级水平下,C波段相对论返波管中的脉冲缩短问题能够得到有效抑制。实验中,当工作电压760 kV、电流为9.0 kA时,在4.23 GHz频点处获得的输出微波功率为2.8 GW,微波脉冲半高宽约101 ns,功率转换效率约41%,实验结果与模拟结果吻合较好。     

高功率微波脉冲压缩技术实验研究

 建立了利用储能切换法实现微波脉冲压缩的实验装置并进行了实验研究。在输入脉冲功率为2.7MW,脉冲宽度为1.4μs的情况下,脉冲压缩功率增益近40,输出微波脉冲功率为106MW,脉宽为13～14ns。实验结果表明输出功率增益与气压和气体成分没有明显的联系,气体击穿的分散性可能是导致输出功率增益波动的主要原因。     

双路脉冲输出结构理论设计与仿真

基于单台脉冲功率驱动源同时驱动两个微波器件产生双频高功率微波的构想,设计了一种双路短脉冲输出结构,其接于主开关后,能够将主开关产生的高压纳秒脉冲传输至高功率微波产生器。两路脉冲由同一脉冲源产生,具有很好的一致性。对双路输出结构脉冲传输过程进行了建模仿真,研究了传输线阻抗、输入脉冲前沿等电学参数对输出波形质量的影响规律,并完成了绝缘风险分析及结构优化。经评估,在前沿4～8 ns的准方波输入脉冲下,双路脉冲输出线的输出波形质量与单路传输线相当,其过冲振荡均小于20%、平顶振荡均小于1%,且能满足绝缘要求。     

全固态脉冲功率源驱动Ka波段相对论返波管振荡器

利用基于SOS的固态脉冲功率源进行了Ka波段相对论返波管振荡器(RBWO)的实验研究。该固态脉冲功率源工作电压200~360 kV,工作电流约2.6 kA,脉宽约20 ns,脉冲上升前沿约9 ns。SOS固态脉冲功率源驱动Ka波段BWO的实验结果为:微波频率36~38 GHz,脉宽约10 ns,峰值功率约50 MW,重复频率10 Hz。     

折叠型平板Blumlein线高功率微波驱动源

 介绍了一种使用折叠型平板Blumlein线为主体的紧凑型高功率微波驱动源,Kapton薄膜和纯净变压器油分别作为折叠型平板Blumlein线的传输线介质和绝缘介质,Blumlein线的整体尺寸为1.00 m×0.40 m×0.15 m。采用一个特征阻抗大约是12 W的C波段磁绝缘振荡器作为高功率微波源。折叠型平板Blumlein线传输的能量可以使磁绝缘振荡器的阴极发射出电压550 kV,电流40 kA ,脉宽90 ns的电子束,从而产生峰值功率350 MW,脉宽40 ns的高功率微波。     

紧凑重频PFN-Marx脉冲发生器

研制了一台紧凑重频脉冲形成网络(PFN)-Marx脉冲发生器,由PFN-Marx发生器、脉冲充电单元、重频触发单元等组成。PFN-Marx发生器模块采用全电感隔离,直径为480 mm,长度为700 mm。脉冲充电单元采用中储电容加脉冲变压器方法,单次充电可以满足10次输出。重频触发单元采用变压器和磁开关一体化设计的全固态Marx发生器技术,输出电压大于50 kV,前沿小于100 ns。脉冲发生器早期输出电参数为单次10 GW,脉冲宽度100 ns,前沿10 ns,阻抗40 。重频工作时输出功率7 GW,频率5 Hz。后期调整后电参数更改为单次10 GW,脉冲宽度70 ns,前沿10 ns,阻抗50 。重复频率工作时稳定输出功率8 GW,频率10 Hz,单串10个脉冲。初步的应用研究中,利用改进后的平台,在5 GW条件下驱动磁控管获得了S波段约1 GW的微波输出。     

高功率微波天线增益测试方法研究

介绍了几种天线增益的测试方法,并根据高功率微波(HPM)天线的特殊性,提出了一种窄脉冲激励下HPM天线增益测试方法。利用直接功率测量方法,将窄脉冲信号源作为发射信号源,通过标定不同脉冲宽度下接收天线的最大接收功率,开展实验研究,测得窄脉冲条件下天线的增益值。测试结果表明:在脉冲宽度大于25 ns的微波脉冲激励HPM天线时,天线增益测试结果与连续波条件下天线增益测试结果相同。