散裂中子源漂移管直线加速器功率耦合器的冷测及分析（英文）

功率耦合器是中国散裂中子源(CSNS)漂移管直线段(DTL)的关键部件之一,其耦合系数通常通过调节耦合孔尺寸得到,为了确保耦合系数达到设计值,制造了一个冷模进行耦合度的调节。在冷模测量过程中,发现了仅通过改变耦合孔尺寸耦合系数达不到目标值的问题,因此提出了一种与测量结果对比有良好仿真精度的新模型用于分析,并使用该仿真模型分析了PEFP使用的理论及影响耦合度的主要参数。最终耦合度被调节至目标值,正式件的冷测结果也表明其与仿真结果基本相同。     

微波电子枪外回路耦合度计算与实验研究

在热阴极微波电子枪的研制中, 为设计微波腔链与波导的耦合孔, 应用Derun Li等提出的``能量方法'进行模拟计算. 使用MAFIA计算微波电子枪第3腔与外回路馈电波导之间的耦合度, 从而设计连接波导与腔链的耦合孔, 使两者之间的耦合度满足需要. 该方法的计算结果与实验测量值的差别在10%—30%之间,满足 实际加工要求. 说明其对于驻波加速腔链与外回路耦合的设计计算是相当有效的.     

圆波导-矩形波导小孔耦合定向耦合器设计

 设计了圆波导-矩形波导通过小孔耦合的定向耦合器装置,应用于高功率微波器件输出功率测量。利用弱耦合波理论分析了单孔耦合,对单孔耦合进行了理论分析和数值计算,并在HFSS中模拟了中心频率34 GHz、耦合度－40 dB的TE₀₁TE₁₀单孔耦合,将数值计算结果和模拟结果进行了对比,两者最大差值为0.4 dB, 相对误差近1%,从而证实理论分析和数值计算的正确性,证实了此种单孔耦合器不具备定向耦合的条件。在单孔耦合的基础上利用相位叠加原理详细分析了多孔定向耦合阵列原理,得出多孔耦合器且满足反向相位相消的条件才具备定向耦合;为设计此种定向耦合器提供了设计理论和参考依据。在实际加工中只要给出标定的耦合度和方向性系数就可以确定耦合孔尺寸。     

可调电子束注入器调配调谐结构的设计及分析

驻波谐振腔是基于直线加速器的束流注入器的基本构造元件,其大功率微波馈入一般选用矩形波导耦合器,但它会引起场不对称和谐振频率的漂移,也难以针对不同流强的束流灵活调节耦合度。建立了带有调配杆的耦合器的等效电路模型,在理论分析的基础上,给出了杆的最佳位置。此外,在耦合器的对称方向插入调谐杆用于补偿结构改变及加工安装等外部因素造成的频率漂移,并使用 CST MICROWAVE STUDIO 的三维电磁仿真给出了两个杆的尺寸和调整范围。联合调整的仿真结果表明,在谐振频率保持稳定的情况下,不同流强的束流均达到临界耦合状态,从而避免了耦合器失配引起的反射功率风险,并减少了由于较小耦合孔引起的场不对称。     

可调电子束注入器调配调谐结构的设计及分析（英文）

驻波谐振腔是基于直线加速器的束流注入器的基本构造元件，其大功率微波馈入一般选用矩形波导耦合器，但它会引起场不对称和谐振频率的漂移，也难以针对不同流强的束流灵活调节耦合度。建立了带有调配杆的耦合器的等效电路模型，在理论分析的基础上，给出了杆的最佳位置。此外，在耦合器的对称方向插入调谐杆用于补偿结构改变及加工安装等外部因素造成的频率漂移，并使用CST MICROWAVE STUDIO的三维电磁仿真给出了两个杆的尺寸和调整范围。联合调整的仿真结果表明，在谐振频率保持稳定的情况下，不同流强的束流均达到临界耦合状态，从而避免了耦合器失配引起的反射功率风险，并减少了由于较小耦合孔引起的场不对称。     

用于X波段模块化相对论速调管放大器在线测量的紧凑型定向耦合器设计

为实现模块化相对论速调管放大器功率、频率和相位的在线测量,对紧凑型高定向性高带宽的定向耦合器进行了仿真和实验研究。利用小孔耦合理论和相位叠加原理进行理论分析,设计了一种双孔紧凑型定向耦合器,在此基础上采用主、副波导正交连接,耦合孔沿轴向和角向二维分布的方法,进一步缩短了耦合器的长度。通过电磁仿真对耦合器各参数进行优化,模拟结果表明：当中心频率为10 GHz时,普通双孔定向耦合器对TM01模式的耦合度为-60.68 dB,在250 MHz的带宽内定向性大于20 dB,此时耦合区长度为3.49 cm。改进型定向耦合器对TM01模式的耦合度为-58.1 dB,在300 MHz的带宽内定向性大于20 dB,此时耦合区长度仅为1.8 cm（约0.6λ）。耦合器的冷腔实验测量结果与仿真结果符合较好。     

双周期加速结构腔间耦合系数的模拟计算

在直线加速器加速管的设计中, 腔间耦合系数是一个关键参量, 它的误差是影响场分布误差的主要因素. 准确计算耦合系数，对于腔间耦合孔几何参数的设计十分重要. 目前, 采用电磁场计算软件进行数值模拟是计算耦合系数的主要 方法. 文献调研发现, 使用MAFIA程序计算耦合系数, 对于单周期的盘荷波导结构, 根据MAFIA程序内部电(磁)边界条件和周期性边界条件, 对应两者有行波模拟、驻波模拟两种方法计算色散曲线. 本文结合这两种方法, 对计算双周期加速结构耦合系数的方法进行了探索, 它们可得到相近的结果, 与实验测量值的差别小于15%.     

基于混合左右手和人工传输线的平面双定向耦合器

利用人工传输线作为右手传输线,与混合左右手传输线(CRLH-TL)进行耦合,实现左手传输线和右手传输线的混合耦合,构造了一种新型的定向耦合器。该耦合器具有后向耦合、小型化、结构紧凑的特点。实验测试结果表明:耦合器的工作频率在1.3~1.8 GHz,相对百分比带宽达到32%,实现了10 dB的耦合度,比常规微带线定向耦合器具有更大的耦合度调节范围,隔离度大于25 dB。实验测试结果与电磁仿真结果相吻合。     

中国散裂中子源π模加速器的电磁设计和分析

中国散裂中子源(CSNS)一期工程现处于调束运行阶段,未来二期工程考虑采用π模加速器将直线段能量从80 MeV升级到300 MeV,对该加速器进行了预研究。利用2D程序SUPERFISH设计出了π模加速器的单元尺寸,其中工作频率为324 MHz,β为0.4。通过3D程序CST优化了耦合系数、耦合孔的个数以及耦合孔的形状。耦合系数的设计值定为6.53%。利用尾部调谐环和7个固定调谐器将电场平整度调至2.18%,满足运行要求。     

中国散裂中子源π模加速器的电磁设计和分析（英文）

中国散裂中子源(CSNS)一期工程现处于调束运行阶段,未来二期工程考虑采用π模加速器将直线段能量从80MeV升级到300 MeV,对该加速器进行了预研究。利用2D程序SUPERFISH设计出了π模加速器的单元尺寸,其中工作频率为324 MHz,β为0.4。通过3D程序CST优化了耦合系数、耦合孔的个数以及耦合孔的形状。耦合系数的设计值定为6.53%。利用尾部调谐环和7个固定调谐器将电场平整度调至2.18%,满足运行要求。     

Measurement of the feedback coefficient by monitoring the power difference at power jump point in self-mixing vibration signal

This paper proposed a new method for measuring the feedback coefficient in the self-mixing interference. In experiment, the value of feedback coefficient is obtained by measuring the power difference at power jump point that based on the self-mixing vibration sensing system. It realized the measurement of feedback coefficient in range of 1–7.8 and shows a good agreement with the theoretical derivation and the corresponding simulation. Meanwhile, there is a good fitting result with the determination coefficient of 0.98 and line-width broadening factor of 3.245 respectively, which also realized measurement of feedback coefficient and line-width broadening factor at the same time.     

独立调谐微波电子枪耦合结构的仿真及测试（英）

精确的功率耦合结构设计是保证高品质束流的关键。为确保系统实际运行中的独立调谐微波电子枪耦合性能满足设计要求,对其进行了仿真与测试。首先应用电磁仿真软件CST对电子枪进行了频域和本征模式的仿真计算,两种方法计算结果吻合,谐振频率分别为2 856.10 MHz和2 856.07 MHz,耦合系数分别为1.624和1.620。同时,对已经安装在加速器上实际运行的电子枪分别采用反射系数法与腔体损耗法进行了耦合性能的测试。单点的反射系数法测得耦合系数为1.78,谐振频率为2 855.77 MHz。在此谐振点上,结合反射系数法和腔体损耗法进行多点拟合,测得耦合系数为1.785。结果表明,仿真计算结果与实际测试的结果基本相符。     

kW级功率驱动的锁相高功率微波发生器

针对kW级微波驱动的锁相GW高功率微波,设计了一个高增益(大于50 dB)四腔相对论速调管放大器(RKA)。模拟表明,在此条件下高次模振荡严重影响器件的锁相实现。由此,将RKA结构与正反馈振荡电路结合起来,建立相应的等效电路来研究这种高次模激励的物理过程(即高次模的激励与中间腔之间耦合强度的相关性)。在高次模振荡的等效电路(即正反馈振荡电路)中,用衰减电阻代替结构中的微波吸收层来研究高次模振荡的抑制机理,衰减电阻通过对反馈过程的控制,提高了电路的自激振荡起振电流。在结构上按照衰减电阻要求设计了微波吸收层,将高次模振荡的起振电流提高到大于器件的工作电流,实现了高增益(约60 dB)条件下高次模激励的抑制。模拟获得了4 kW微波功率驱动的2.3 GW锁相高功率微波,增益接近60 dB。在LTD加速器平台的实验结果表明:注入微波由固态RF种子源提供(功率10 kW),输出功率达到1.8 GW,增益为52.6 dB,90 ns内输入和输出微波的相对相位差小于±10°,实验上实现了kW级注入微波对GW高功率微波的相位锁定。     

一种矩形腔式高功率合成器的设计

研究了一种基于矩形腔式功率合成的射频高功率合成器。该合成器可以实现功放模块与合成器的直接耦合,合成效率高,功率容量大,且功率容量可调,可以很好地满足目前CiADS中对固态发射机功率容量的梯度要求。12合1矩形腔式功率合成器仿真结果表明,合成器各输入端到输出端的幅度传输和相位传输具有很好的一致性,最大偏差分别在0.05 dB和0.5°以内,调节功放模块数量可以调节发射机的功率容量。     

圆波导定向耦合器在高功率微波测量中的应用

介绍了大功率容量定向耦合器的设计、标定、测试与应用情况。以X波段圆波导定向耦合器为例,在9.2~10.2 GHz的频带范围内,基于小孔耦合理论优化设计的结构,其耦合度可以稳定在(55±2)dB以内,隔离度大于80 dB。在此基础上,设计加工了X波段圆波导定向耦合器并进行了标定测试,测试与仿真结果吻合较好,高功率微波实验证实了其具有较高功率容量,能够满足实验需求。该类圆波导定向耦合器已广泛应用于实验室高功率微波源的在线测量装置中。     

高功率回旋行波管新型输出渐变段的设计

利用正余弦拟合的方法和半径渐变波导的耦合波理论设计出一种Ka波段TE01模回旋行波管新型输出渐变段。通过Matlab数值计算和HFSS仿真优化,研究了该新型渐变段的反射系数、传输参数、模式纯度、对杂模的耦合等性能指标。计算结果表明:在长度为80 mm、口径由14 mm变化到32 mm的情况下,在30～33 GHz该新型渐变段的传输参数大于-0.000 52 dB,反射参数小于-65 dB,模式纯度大于0.995,对TE02模和TE03模耦合在-40 dB以下。在等长度和等口径下,与Dolph-Chebyshev渐变段进行比较,结果显示在30～33 GHz内,新型渐变段比其传输参数更好、反射参数更小、模式纯度更高等。测试样品的冷测实验结果为在28～35 GHz范围内,其反射参数小于-30 dB,传输参数大于-0.3 dB。     

Low threshold Raman effect in high power narrowband fiber amplifier

A low-threshold Raman effect in a kilowatt ytterbium-doped narrowband fiber amplifier system is reported. The Raman Stokes light at 1120 nm is achieved with the total output power of only ~400 W, indicating that the Raman threshold of this kilowatt codirectional pumped continuous wave fiber amplifier is much lower than the predicted value estimated by the classic formula. To figure out the mechanism of this phenomenon, simulations based on the general stimulated Raman scattering(SRS) model are analyzed indicating that the key factor is the coupling between four-wave mixing(FWM) and SRS. The simulation results are in good agreement with our experiments.     

Development of single mode fiber coupling coefficient using kinetic model

We propose a simple kinetic model that can be used to improve the coupling coefficient value of a single mode fiber coupler in the fabrication process. The proposed model is time independent, where the internal and external parametric functions are included. The simulation is integrated over the coupling ratio range for the various fiber separations. The coupling coefficient value of the device is examined by using the coupling ratio range from 1% to 75%. The result obtained is compared with the experimental results, where it is noted that the separation of fiber cores significantly affects the coupling coefficient, exhibiting exponential behavior. We also found that the coupling coefficient gradient is significantly changed with respect to the coupling ratio. This model can be used to determine power losses of the fiber coupler at the coupled region, while the fabrication of the fiber coupler is operated.     

X波段高功率宽带选模定向耦合器

过模圆波导在提高功率容量的同时,不可避免地会造成微波源中同时存在多种模式。为了监测X波段长脉冲高功率微波源TM₀₁模的输出功率和频谱,采用CST软件仿真设计了X波段高功率宽带选模定向耦合器,在耦合TM₀₁模的同时可实现对TM₀₂和TE₁₁模的抑制。波导腔体及耦合孔的尺寸以小孔耦合理论和相位叠加原理为基础并结合切比雪夫分布函数计算确定。仿真结果表明:该高功率宽带选模定向耦合器在9.0~9.8 GHz的带宽范围内,耦合度为(-59.08±1) dB,定向性大于30 dB,对TE₁₁模的抑制度大于15 dB,对TM₀₂模的抑制度大于30 dB,功率容量大于2.5 GW。     

RF power coupling for the CSNS DTL

The China Spallation Neutron Source(CSNS)drift tube linac(DTL)consists of four tanks and each tank is fed by a 2.5 MW klystron.Accurate predication of RF coupling between the RF cavity and ports is very important for DTL RF coupler design.An iris-type coupler is chosen to couple the RF power to the DTL accelerating cavity.The physical design of the DTL coupler and the calculations of RF coupling between the cavity and coupler are carried out.The results from the numerical simulations are in excellent agreement with the analytical results.