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     

一种基于热离子二极管的大功率微波探测器

 主要给出了波导型的X波段大功率微波探测器的结构、标定方法和标定结果。该新型大功率微波探测器具有承受微波峰值功率高（可达100 kW），时间响应快（响应时间小于2.0 ns），不需要同步信号，抗干扰能力强等特点。根据不同的需要，可以制作成波导型和同轴型的大功率微波探测器。波导型探测器由热离子二极管、标准波导、滤波器和外电路组成，其工作频率范围为波导的工作频率范围；而同轴型探测器由热离子二极管、同轴波导，滤波器和外电路组成，可以宽带使用。标定结果表明该探测器很适合高功率微波峰值功率测量，尤其是在强电磁干扰环境和高重频微波脉冲条件下的测量，为解决功率测量不准的技术难题提供一种有效的技术手段。     

X波段相对论速调管放大器同轴双间隙输出腔输出特性

 设计了工作在X波段的相对论速调管放大器同轴双间隙输出结构,并采用3维PIC程序对其进行了粒子模拟,分析了输出微波功率随直流渡越角、输出腔品质因数值等相关参数的变化,对输出腔体结构进行了优化设计。模拟结果表明：同轴双间隙输出结构可以降低束流的势能,增加束流与腔体的作用时间,提高速调管的微波提取效率。模拟中采用束压600 kV、束流5 kA、调制深度100%和峰值频率9.37 GHz的电子束以及1T的轴向引导磁场强度,得到了周期平均功率1.2 GW、峰值频率9.37 GHz、效率40%的微波输出。     

大耦合孔同轴输出腔的3维解析分析

 在高功率微波器件中，通常采用大耦合孔的同轴微波输出腔，该腔为3维结构。采用场等效原理将腔体、耦合孔及其输出负载(行波边界)进行分区,每个区域中的场由界面上的磁流密度决定。采用格林函数积分法可得每个区域中的3维场,再由各个区域的场匹配方程求得腔体的谐振频率、特性阻抗、有载品质因数、模式分布等参数。为腔体的计算和设计提供一种计算模型。     

S波段束流相位探测腔与偏心式波导耦合预聚束器的设计

设计了工作于S波段的波导耦合型预聚束器和束流相位探测腔。为了增加功率容量,预聚束器采用波导耦合机制代替了传统的同轴耦合环耦合,而偏心圆结构的设计能够补偿因耦合窗口的引入导致的径向电场不对称,进一步改善了强流束流品质。预聚束器设计指标与测试结果:耦合系数1.73,空载品质因数2195,腔体谐振频率的可调范围为2 854.55~2 856.9 MHz。为实现测量束流相对射频脉冲的时间,进行强流输入功率补偿,选择了能够在线进行束流相位实时测量的束流相位探测腔,采用旋转对称结构,并通过两个同轴耦合环提取束流通过时激发的感应信号,作为直线相控系统的参考信号。束流相位探测腔设计与测试结果:空载品质因数2392,3dB带宽为2.05MHz,腔体谐振频率的可调范围为2 805.45~2 809.45MHz。所有器件的仿真设计与测试结果基本一致。     

大气压微波等离子体射流装置放电特性研究

基于同轴传输线结构设计了两种不同喷嘴结构的大气压微波等离子体射流(MW-APPJ)装置,其工作频率2.45 GHz,工作气体为氩气,分别研究了两种不同喷嘴结构对等离子体放电特性产生的影响。仿真结果表明,MW-APPJ在气体喷嘴处会产生高强度的电场,经过优化结构,实现在频率2.45 GHz下,喷嘴处的场强满足氩气电离的击穿场强阈值要求。同时,利用多物理场耦合仿真软件对装置的气流分布进行了稳态模拟,并通过实验对比分析了两种喷嘴结构下大气压氩等离子体射流的基本特性。实验结果表明,不同的喷嘴结构会影响等离子体装置的反射系数随输入功率的变化规律,但并不影响等离子体射流长度随输入功率的变化规律和反射功率随进气流量的变化规律;同时,在大气压下,稳态微波等离子体射流呈现出类金属性,等离子体中的电子只能在很薄的区域中吸收微波能量,因而造成微波的反射功率较大。     

回旋加速器高频腔的设计与分析

根据正电子发射断层显像(PET)回旋加速器的物理要求与实际情况,确定了PET回旋高频双腔体的具体设计方案。在加速电压比较高的要求下,充分利用有限的空间,设计1/4波长线的异型覆面的竖腔结构腔体,采用短路片与移动电容板双调谐结构,满足了频率调谐要求;同时获得较高的品质因数,达到了物理设计要求的加速电压。利用Microwave Studio CST程序对腔体的Q0值、热分布、功率损耗、微调电容做了详细的分析与计算;对实际测量值与仿真计算值进行了对比,并对产生的误差进行了分析和讨论。腔体电压实际测量值达到50kV以上,频率稳定度达到设计指标1.0×10-6/d。     

大功率辐照加速器的研制

介绍了10MeV/20kW大功率辐照加速器的设计.该加速器采用返波型行波加速结构加速管,综合了常规行波加速结构微波反射小、频率稳定性好和驻波加速结构分流阻抗高的优点.加速器工作于S波段,中心频率为2856MHz.利用自编的模拟程序AccDesign进行物理设计,设计输出电子束能量为1OMeV,脉冲流强300mA,加速管总长1.5m,模拟计算结果显示微波至电子束的转换效率为66%.同时利用计算机仿真程序对加速腔的温度和应力分布进行了计算,得到了微波功率损耗对加速腔频率的影响.     

用于BFEL的多腔热阴极微波电子枪的设计研究

详细介绍了用于北京自由电子激光器(BFEL)的多腔热阴极微波电子枪的物理设计以及模拟计算结果,给出了出束及热测实验研究结果.该微波电子枪采用双周期轴耦合驻波加速结构,由四个加速腔组成,工作在π/2模,工作频率为2856MHz.该枪在设计中采用了缩短首腔以及增加腔间漂移段等设计思想,大大减小了电子反轰功率,并有效地调节了电子束团的纵向特性.     

HIRFL 新B1聚束器的腔体设计

 根据HIRFL加速器的束流纵向匹配要求及实际情况,给出了新B1聚束器腔体的具体设计方案。采用短路片和两个移动电容板双调谐方式以满足该聚束器的宽工作频率范围要求。利用MAFIA程序对腔体的频率范围、品质因素Q值、损耗功率、微调电容及表面电流分布进行了计算,并就计算中可能引起的误差及方案的可行性进行了讨论。     

Nd:YVO4复合腔激光器双波长激光输出及腔内和频研究

 采用两个重叠的共线支腔构成的三镜复合腔,实现LD泵浦的Nd:YVO₄激光器的1 064 nm和1 342 nm双波长激光运转。根据双波长振荡阈值相等条件,数值计算了1 064 nm支腔和1 342 nm支腔的腔长、支腔的输出耦合镜透过率之间的关系。合理选择两个支腔的参数,当泵浦功率13 W时,获得1 064 nm激光功率1.59 W,1 342 nm激光功率1.17 W的双波长激光输出。在满足腔内1 064 nm 和1 342 nm双波长光子数密度相等的条件下,计算了腔内和频的复合腔Nd:YVO4激光器的腔参数。采用Ⅱ类临界相位匹配KTP晶体作为和频器件,当808 nm泵浦光功率为12 W时,获得340 mW的和频593 nm激光输出。     

Axisymmetric multistage cavity resonators

We study theoretically multistage cavity resonators as well as the gyrotrons manufactured on their basis. Coupled cavities with mode conversion and echelette cavities are particular cases of such devices. The possibilities of reducing the diffraction Q-factor of the operating mode of a cavity, with the preservation of its selective properties and significant increase in the gyrotron radiation power, and provision of high efficiency and acceptable heat ohmic load of the cavity at the first harmonic of the gyrofrequency are considered. Achievable parameters of the gyrotrons at the second and third harmonics with typical electron guns and cryomagnetic systems are analyzed.     

Mode control in a high-gain relativistic klystron amplifier

Middle cavities between the input and output cavity can be used to decrease the required input RF power for the relativistic klystron amplifier. Meanwhile higher modes, which affect the working mode, are also easy to excite in a device with more middle cavities. In order for the positive feedback process for higher modes to be excited, a special measure is taken to increase the threshold current for such modes. Higher modes＇ excitation will be avoided when the threshold current is significantly larger than the beam current. So a high-gain S-band relativistic klystron amplifier is designed for the beam of current 5 kA and beam voltage 600 kV. Particle in cell simulations show that the gain is 1.6 × 10^5 with the input RF power of 6.8 kW, and that the output RF power reaches 1.1 GW.     

折叠-组合腔不同曲率输出镜近场光束分析

多维轴对称折叠组合腔由一个或多个折叠腔和一个共轴球面腔组合而成，共用一个平凹输出镜产生并合光束。为了得到更稳定、更高功率的激光输出，基于矩阵理论建立了基模高斯光束斜入射通过凹面镜的理论模型，并对输出光束的近场光强分布和光斑大小做了非相干并合和相干并合的数值计算和模拟。结果表明随着输出镜曲率半径的减小，光强峰值和光斑大小有轻微减小，稳定性更高。     

Mode control in a high-gain relativistic klystron amplifier

Middle cavities between the input and output cavity can be used to decrease the required input RF power for the relativistic klystron amplifier.Meanwhile higher modes,which affect the working mode,are also easy to excite in a device with more middle cavities.In order for the positive feedback process for higher modes to be excited,a special measure is taken to increase the threshold current for such modes.Higher modes' excitation will be avoided when the threshold current is significantly larger than the beam current.So a high-gain S-band relativistic klystron amplifier is designed for the beam of current 5 kA and beam voltage 600 kV.Particle in cell simulations show that the gain is 1.6×105 with the input RF power of 6.8 kW,and that the output RF power reaches 1.1 GW.     

Development of fundamental power coupler for C-ADS superconducting elliptical cavities

5-cell elliptical cavities have been selected for the main linac of the China Accelerator Driven subcritical System(C-ADS) in the medium energy section. According to the design, each cavity should be driven with radio frequency(RF) energy up to 150 kW by a fundamental power coupler(FPC). As the cavities work with high quality factor and high accelerating gradient, the coupler should keep the cavity from contamination in the assembly procedure. To fulfil the requirements, a single-window coaxial type coupler was designed with the capabilities of handling high RF power, class 10 clean room assembly, and heat load control. This paper presents the coupler design and gives details of RF design, heat load optimization and thermal analysis as well as multipacting simulations. In addition, a primary high power test has been performed and is described in this paper.     

Ku波段径向线相对论速调管放大器的仿真与设计

高频段相对论速调管放大器(RKA)是近年来高功率微波领域的研究热点之一,其发展主要受限于模式竞争、相位抖动和效率偏低等问题。设计了一种径向线RKA,主要由输入腔、两组非均匀双间隙群聚腔和三间隙提取腔等四部分构成。通过比较单双间隙群聚腔与电子束互作用的耦合系数,说明了非均匀双间隙群聚腔具备对电子束较强的调制能力。前端加载TEM模式反射器的非均匀双间隙群聚腔的工作在TM01-π模式,Q值较大,有利于谐振腔之间的能量隔离。采用两组非均匀双间隙群聚腔级联的方式,在注入功率仅10 kW情况下,实现短漂移管长度下电子束深度群聚达110%。粒子模拟结果表明,该器件具有效率高的优点,在电子束电压400 kV,电流5 kA,磁场强度0.4 T条件下,得到功率825 MW,频率14.25 GHz,效率41%的微波输出。     

两腔高功率微波振荡器研究

对一种新型两腔振荡器进行了理论和数字模拟研究.这种结构中的调制腔实现电子束速度调制，调制后的电子束在通过两腔之间一个微波场较弱的区间时实现电子束群聚，然后在换能腔实现电子能量到微波能量的转换，并通过输出结构输出.同时，调制腔和换能腔之间存在微波耦合，换能腔中的一部分微波能量可以耦合到调制腔，形成一个正反馈回路，在一定条件下实行微波振荡.设计了一个X波段的器件，理论效率为294%，25维Particle in Cell(PIC)程序模拟的效率为28%，微波频率为942GHz，微波输出功率为225GW. 关键词： 高功率微波 微波腔 模式 自洽方程     

回旋速调管输入耦合器分析与设计

 对Ka波段工作模式为TE₀₁模和TE₀₂模的两种回旋速调管的输入耦合器进行了详细研究，利用模式匹配理论和HFSS建模仿真计算了内圆柱腔和外同轴腔的尺寸；提出了一种与软件计算相结合的模式纯度计算方法，对内腔工作模式纯度、内外腔能量分数进行了计算。内腔侧面上的耦合缝的大小、角向位置都直接决定外同轴腔内的TE_m11模向内圆柱腔的TE_0n1模的耦合情况。针对耦合缝与输入波导成45°和0°分布两种情况，研究了耦合缝长、宽和角向偏移，以及内外腔频差对频率、Q值及内腔能量分数的影响。分别设计了Ka波段内腔工作模式为TE₀₁₁、外腔为TE₄₁₁和内腔TE₀₂₁、外腔TE₈₁₁的两种输入耦合器，并利用矢量网络分析仪对内腔工作模式为TE₀₁₁的耦合器进行了冷高频测量，测得频率为34.257 GHz，与计算结果34.300 GHz仅相差43 MHz。     

带状注速调管高频结构的初步研究

 利用3维软件设计并模拟了适用于X波段高功率带状注速调管的“Ⅱ”形谐振腔，根据模拟结果分析了腔体各尺寸对电场均匀性的影响；建立了平面对称结构的3维高频互作用系统模拟平台，应用此平台讨论了扼流器法和漂移管窄壁开槽法这两种抑制漂移管中非工作模式的方法；分析了漂移管的尺寸及漂移头对谐振腔内场分布的影响。研究表明：波导高度、耦合腔宽度和高度对带状注速调管谐振腔间隙的电场均匀性影响较大；而波导长度和宽度、耦合腔长度对该电场均匀性影响不大；腔体连接处加上漂移头可使场分布更加集中；该型带状注速调管谐振腔能够产生均匀的电场，为提高注波互作用效率奠定了基础。