Ka波段带状注相对论扩展互作用振荡器的模拟设计

利用三维粒子仿真软件,对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用振荡器进行了模拟仿真设计。采用宽高比为30∶1的带状电子束以降低空间电荷效应,选择多间隙耦合腔为高频结构以增加器件功率容量,在电子束电压为400kV、束流为2kA、轴向引导磁感应强度为1T的情况下,器件输出微波功率为240 MW,频率为30GHz,效率为30%。     

相对论速调管放大器双间隙输出腔的粒子模拟

 用3维PIC程序对S波段强流相对论速调管放大器(RKA)双间隙输出腔内的微波提取情况进行了模拟，给出了产生微波的详细物理图像。模拟结果表明：采用双间隙输出腔能增加束波互作用长度，使提取到的微波功率和效率得到提高。模拟得到了输出微波功率随直流渡越角、随电子束外径与漂移管之间的距离、随基波调制深度以及耦合孔径向间距变化的规律。在电子束压580 kV、束流4 kA、基波调制深度80%、引导磁场1.5 T的条件下，模拟得到周期时间平均功率800 MW，频率约2.85 GHz，周期时间平均效率34.8%的微波。     

C波段三腔渡越时间振荡器的数值模拟

 用2.5维PIC程序对三腔渡越时间振荡器进行了数值模拟，给出了产生微波的详细物理图像。模拟表明：三腔渡越时间振荡器能调制强流电子束并输出微波，微波频率符合理论设计值。模拟得到了输出微波功率随栅网间距，随反向二极管轴向间距以及提取口径向间距变化的规律。输出微波功率与栅网间距的关系与线性理论基本相符。在电子束电压400kV，电流4kA的条件下，模拟得到的结果为微波峰值功率约600MW，频率5GHz，起振时间约3.5ns，峰值功率效率大于37%。     

反馈调制型同轴虚阴极振荡器

 对反馈调制型同轴虚阴极振荡器进行了理论分析和数值模拟研究,结果表明:该器件通过增加同轴谐振腔结构并引入反馈可以对入射电子束形成明显的调制效果,从而使得器件具有高束波转化效率和频率单一稳定的特性;同时输出微波的频率被器件结构中的同轴谐振腔锁定,调节腔参数可以在一定范围内对输出微波频率进行调谐;在二极管电压约为600 kV,电子束功率26.2 GW条件下,可以得到平均功率3.6 GW的微波输出,转换效率达到13.7%,主频为5.5 GHz,模式为TM₀₂模。     

X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器设计

针对器件工程应用中的高功率高增益需求，设计了工作在X波段的高功率高增益多注相对论速调管放大器，建立了带输入、输出波导结构的三维整管模型。设计双边对称耦合孔输入腔结构，降低了输入波导对输入腔间隙电场均匀性的影响以抑制非均匀干扰模式；设计采用多腔多间隙群聚结构，降低了输入微波功率的需求，提高了器件放大增益；并且分析设计了多间隙扩展互作用微波提取结构，提高了器件的功率转换效率以及降低输出结构表面电场强度。通过优化设计，粒子模拟仿真实现X波段多注相对论速调管放大器输出微波功率达到3.2 GW，器件放大增益约为60 dB，功率转换效率约为40%。器件验证实验在电子束电压550 kV，电流5.1 kA的情况下，输出功率为0.99 GW，放大增益约为53 dB，转换效率约为35%。     

感性加载宽间隙腔相对论速调管的粒子模拟

 通过粒子模拟的方法研究了三腔结构的感性加载宽间隙腔相对论速调管放大器,分析了宽间隙腔中垫圈/杆等参数对于束流调制的影响。模拟结果表明:感性加载的宽间隙腔能够克服宽腔所带来的势垒效应,增加电子束与腔的作用时间,提高束流调制和能量提取的效率。模拟中采用500 keV,6 kA的电子束,经过两腔调制得到了约4.5 kA的调制电流,调制深度接近80%;采用渐变结构的输出腔,得到功率约1.2 GW,频率2.86 GHz,效率为40%的输出微波。     

导引磁场控制相对论速调管放大器电子束收集的方法

 通过改变磁场位形,利用粒子模拟方法,研究了相对论速调管放大器（RKA）中电子束收集位置对器件效率和工作稳定性的影响。合适的电子束收集位置对增加输出腔区束波作用强度、减小输出腔区强流电子束的空间电荷势能以及减少RKA中反射电子数量非常有利。对一个工作频率2.85 GHz的RKA的电子束收集方式进行了改进,在电子束参数为510 keV和8.1 kA,注入微波功率500 kW和导引磁场1.5 T时,模拟得到了1.4 GW的微波输出,效率33.7%,增益33.8 dB,改进电子束收集方式之前的模拟结果为输出功率1.1 GW,效率为26.3%。利用Surperfish设计了改进收集方式后所需的磁场位形,并导入粒子模拟程序进行了模拟,实现了对电子束收集位置的有效控制,输出效率为32%。     

高效率超辐射相对论返波管

对新型同轴单程超辐射相对论返波管振荡器进行了进一步的研究。该振荡器的互作用区为同轴结构,外导体为一波纹波导,内导体为一光滑圆波导;辐射场从左端耦合到圆波导后输出,不需要截止颈。通过增加波纹周期数并调整互作用区末端波纹深度,器件的功率转换效率得到进一步的提高。当电子束电压为360 kV,电流为9.15 kA,外加磁场强度为2.7 T时,通过参数优化,模拟获得了瞬时峰值功率超过18 GW、脉冲宽度约400 ps,中心频率为8.1 GHz的微波输出,平均功率转换效率达到了275%。     

具有超辐射特性的回旋器件模拟研究

 在详细分析快波结构中的束波互作用基础上,采用2.5维PIC粒子模拟软件设计了一种回旋器件。该器件采用摇摆器形成回旋电子束,并采用强耦合方式和优化的互作用段长度，在束压250 kV、束流200 A、脉宽1 ns的电子束驱动下，模拟获得了峰值功率7 MW、频率38.5 GHz的微波短脉冲输出，峰值功率转换效率达到14%。其峰值输出功率与束脉宽之间的平方关系符合超辐射效应的特征。     

高效强流径向分离腔振荡器研究

根据同轴虚阴极的结构特点，提出了一种紧凑型径向分离腔振荡器，该径向分离腔的特点是输入电子束的电流可以很大，从而可以得到较高的微波输出功率. 综合考虑影响微波输出的各种因素，在电子束为410kV，电流为35kA的条件下，模拟得到的平均功率大于50GW，频率为146GHz，电子束功率效率达到348%.     

Simulation and Experimental Research of a Novel Vircator

A new configuration of an axially-extracted vircator with three resonant cavities is put forward and optimized by simulation with the PIC code. The output power of over 1 GW is obtained at around 4.1 GHz in the experiment, in agreement well with the PIC simulation results. The beam to wave power conversion efficiency is more than 6.6%.     

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。     

同轴虚阴极振荡器实验研究

 介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所关于同轴虚阴极振荡器实验的最新进展。实验结果表明，带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器比不带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器输出微波功率更高，频谱更纯。在二极管电压350 kV，电流23 kA条件下，输出微波峰值功率500 MW，能量转换效率约6.2%，工作频率为3.3 GHz。对实验结果进行了理论分析。     

新型高效率虚阴极振荡器

结合低磁场返波管振荡器和虚阴极振荡器的优点,设计了一个具有较高效率的虚阴极振荡器,通过添加半反射腔,使虚阴极在由阳极箔、波导和半反射腔组成的准谐振腔内形成,实现器件的高效率、高功率运行。当电子能量和束流分别为480keV和23kA时,采用2.5维粒子模拟(PIC)程序模拟得到频率为3.7GHz、功率为2.6GW的微波输出,器件束波转换效率约为23%。     

高效强流径向分离腔振荡器研究

根据同轴虚阴极的结构特点,提出了一种紧凑型径向分离腔振荡器,该径向分离腔的特点是输入电子束的电流可以很大,从而可以得到较高的微波输出功率. 综合考虑影响微波输出的各种因素,在电子束为410kV,电流为35kA的条件下,模拟得到的平均功率大于50GW,频率为146GHz,电子束功率效率达到348%. 关键词： 径向分离腔 高功率微波 同轴虚阴极 电子束分布     

多腔虚阴极振荡器研究

 提出了一种具有预调制腔、主谐振腔和提取腔组成的多腔轴向提取虚阴极振荡器结构。腔体特性分析表明其在工作频段可以获得更高的提取效率。粒子模拟显示该结构在电压700 kV,电流23 kA的条件下,可输出功率大于1.7 GW,频率4.0 GHz,功率效率大于10％的微波。初步的实验研究获得了辐射功率约700 MW,频率约4.1 GHz的微波输出。对实验结果的进一步分析表明,通过适当加大器件虚阴极振荡工作区微波管直径的方法可以有效改善器件的谐振性能,从而获得更好的工作性能。     

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。     

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。     

Submillimeter-wave harmonic gyrotron experiment

A theoretical and experimental investigation of the operation of a harmonic gyrotron at submillimeter wavelengths is reported. Using a waveguide cavity with an iris at the output end of the straight section, 14 different second-harmonic modes were observed with frequencies of 301-503 GHz, output powers of 1-22 kW, and a 12-MHz emission frequency bandwidth. The highest output power was 22 kW, with a total efficiency of 3.5% at 467 GHz, and an output power of 15 kW with a 6% efficiency was obtained at 417 GHz. Research was conducted using a 65-75 kV up to 10-A electron gun with a 1/1.5-μs pulse length and a 4-Hz repetition rate, which produced a helical electron beam in magnetic fields of up to 14 T. These results represent the first operation of a high-power harmonic gyrotron in the submillimeter region     

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。