一种提高相对论返波管功率容量的方法

 对相对论返波管实验中射频击穿现象进行了分析和数值模拟研究,发现谐振反射器和慢波结构的局部场增强诱导了场致电子发射,引起了金属表面的射频击穿,通过研究分析,提出采用分布反馈式谐振反射器,并采用梯形倒角非均匀慢波结构替换正弦慢波结构的方法来抑制射频击穿。数值模拟研究表明,在微波功率2 GW时,改进后的反射器最大场强由1.4 MV/cm降低为570 kV/cm,慢波结构表面最大电场由1.1 MV/cm降低到780 kV/cm。改进后的结构在二极管电压765 kV时获得了微波功率2.2 GW、脉宽45 ns的实验结果,微波功率和脉宽得到显著提升。     

S波段相对论速调管振荡器的实验研究

 在20 GW加速器平台上开展了S波段相对论速调管振荡器（RKO）的单次和重复频率束流调制和微波辐射的实验研究。采用无箔空心阴极和0.9 T的恒流源磁场引出束压1 MV、束流13 kA、脉宽40 ns的环形电子束驱动RKO,该电子束经过3个紧密耦合的扩展互作用腔再经过一段漂移管的群聚后,产生了7.8 kA/20 ns的基波调制束流,该调制束流激励三轴输出腔,单次运行输出了3.5 GW的微波辐射,束波转换效率29%,脉宽20 ns;脉冲重复频率20 Hz运行时,输出微波功率3.4 GW,束波转换效率26%。该振荡器具有起振时间快、输出频谱较纯和结构紧凑等优点。     

L波段相对论返波振荡器初步实验研究

设计了一个紧凑型L波段相对论返波振荡器(RBWO),利用Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束-波作用的物理过程。模拟结果表明:在二极管电压700 kV、电子束流10 kA、导引磁场为1.0 T时,能实现L波段2.23 GW高功率微波输出,平均效率约为31.8%。为验证模拟结果,在高阻加速器平台上进行了初步实验:当二极管电压为703 kV、电流10.6 kA、导引磁场为0.8 T时,实验获得了峰值功率1.05 GW、频率1.61 GHz、脉宽38 ns的高功率微波输出,其功率效率为14.4%。     

基于超辐射机理产生X波段高功率亚纳秒脉冲研究

设计了一种基于超辐射机理的X波段相对论返波管结构, 利用全电磁2.5维粒子模拟程序对返波管中的超辐射机理进行了粒子模拟研究. 模拟表明: 在束430kV、束流4kA, 脉宽3.1ns的电子束驱动下,实现了峰值功率1.5GW、频率10GHz、脉宽500ps的亚纳秒微波脉冲输出, 峰值功率转换效率达到87.2%;在超辐射机理作用下, 微波峰值功率与电子束脉宽在一定的范围内成平方关系.     

S波段长脉冲相对论返波振荡器实验研究

从物理机制上定性地分析了导致脉冲缩短的主要原因,给出了长脉冲重复频率运行下的相对论返波振荡器(RBWO)设计原则。结合传统谐振式返波振荡器的基本设计理论,设计和模拟优化了工作在S波段的长脉冲RBWO,并利用本实验室现有长脉冲脉冲功率驱动源开展了S波段长脉冲RBWO的实验研究。实验结果表明:在单次运行条件下,微波输出功率达到约2 GW、脉宽约90 ns;在10 Hz重复频率运行条件下,输出微波功率达到约1 GW、脉宽约100 ns。器件产生的微波频率为3.6 GHz,输出模式为TM01模,效率约20%。对实验结果分析表明,器件截止颈和第一个慢波结构结合处的爆炸发射是导致脉冲缩短的主要原因之一。     

带谐振腔反射器的低磁场返波管实验研究

 谐振腔反射器到慢波结构输入端之间的漂移段长度对返波管效率有较大影响，文章对该影响进行了理论分析和数值模拟。结果表明：由于谐振腔反射器对电子束的预调制作用，返波管输出功率随漂移段长度的增加而呈现多峰值现象，在选取合适的漂移段长度时，可以显著提高其微波产生的效率。在SINUS－881加速器上开展实验，在引导磁场为0.7 T，漂移段长度为4.9 cm的条件下，实验获得了功率为700 MW，频率为8.7 GHz，脉宽20 ns的微波输出，效率约14%。实验研究证实了模拟结果的正确性。     

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。     

重复运行短脉冲S波段相对论速调管放大器

介绍了利用HVG-1二极管产生的强流短脉冲电子束源, 开展短脉冲重复频率为100Hz的S波段相对论速调管放大器(RKA)实验研究. 利用无箔空心石墨阴极和0.82T的恒流源引导磁场, 引出了电压约700kV、电流约6.5kA、脉宽(半高宽)25ns的环形电子束. 该电子束经过输入腔和中间腔的调制后, 得到了5kA/22ns的 基波调制电流. 经过输出腔后, 得到了大于1GW/20ns的辐射微波, 频率2.95GHz, 平均功率2.4kW, 效率约24%, 增益34dB. 没有观察到限制该GW级功率水平的S波段RKA的因素.     

S波段速调管双间隙输出腔的设计和实验研究

 介绍了S波段强流相对论速调管放大器(RKA)双间隙输出腔高频系统的设计,并利用3维粒子模拟程序模拟和优化了短脉冲强流相对论调制电子束经过双间隙输出腔后的微波提取。在束压640 kV、束流6 kA、基波调制深度80%的条件下,模拟得到功率为1.1 GW的微波,频率约为2.85 GHz,效率28%。在高频分析和粒子模拟的基础上进行了实验研究,实验中采用束压640 kV、束流6 kA的环行电子束,经过优化调节RKA参数,在中间腔后得到了约4.6 kA的基波调制电流,加上双间隙提取腔后从该RKA获得了频率为2.9 GHz、功率为1 GW、脉宽22 ns的输出微波,束波转换效率26%。     

X波段GW级长脉冲高功率微波源的设计与实验

通过理论分析指出,单模相对论返波振荡器内的平均场强正比于其工作频率,工作在高频段难以实现长脉冲运行。采用电磁场仿真方法,比较了X波段单模和过模慢波结构的场分布特点,结果表明:增加过模比能有效减小慢波结构表面的射频场强,但由于场分布变化导致场强的减小与过模比的增加相比并不显著。利用过模比约为3的慢波结构设计了一种X波段长脉冲高功率微波源。实验中,在单次运行条件下,输出微波功率达到2 GW、脉宽80 ns;在20 Hz重复频率运行条件下,输出微波功率达到1.2 GW、脉宽100 ns。器件产生的微波频率为9.38 GHz,主模为TM01,效率约24%。微波窗口和慢波结构表面的射频击穿是目前实验中限制微波功率和脉宽增加的关键因素。     

带有反射腔的相对论返波管初步实验研究

 阐述了带有反射腔的相对论返波管的初步实验研究进展。反射腔是一段不规则的圆波导,在相对论返波管中起到截止颈的作用。初步实验的结果为：外加磁场B_z =0.82T时,输出微波功率为170MW,微波频率8.874GHz,脉宽为10ns;外加磁场B_z =1.7T时,微波功率为370MW,频率与脉宽不变;根据辐射场功率密度分布判定传输模式为TM₀₁模。结果表明：带有反射腔的返波管在较低外加磁场下也能够工作。     

带高阶模谐振腔反射器的过模高功率毫米波源

针对过模系数为2.3的高功率毫米波发生器设计了工作于高次模的谐振腔反射器。谐振腔反射器工作模式为TM035模式,在58~62 GHz频带内对TM01模式的反射系数大于0.9。运用2.5维全电磁粒子程序模拟分析了器件中束波相互作用过程,通过调整慢波结构与谐振腔反射器间的漂移段长度得到了器件在570 kV,6.0 kA电子注量驱动下,在引导磁场为4 T时,能辐射出功率1.06 GW、频率为60.2 GHz的毫米波,主要工作模式为TM01模,效率约为31%,起振时间为3.3 ns。     

Relativistic backward-wave tube with mechanically tunable generation frequency over a 14% range

A tunable-frequency low-magnetic-field relativistic microwave oscillator is realized experimentally based on a relativistic backward-wave tube with a modulating resonance reflector. The generated frequency is tuned mechanically by moving the oscillator slow-wave structure relative to the reflector. At fixed parameters of the corrugations and of the electron bunch, a frequency tuning range of about 14% measured between −3-dB (relative to the maximum peak generated microwave power) points is realized. The maximum pulse power of 3.4 ± 0.7 GW was obtained at a carrier frequency of 3.65 GHz in a magnetic field of 0.44 T.     

High-power relativistic microwave sources based on the backward wave oscillator with a modulating resonant reflector

Results of theoretical and experimental investigations into a relativistic backward wave oscillator with a modulating resonant reflector are generalized. The modulating resonant reflector is used to reflect a counter propagating wave and guide it toward an electron collector. It is shown that premodulation of the electron beam near the reflector may have a significant effect on the starting conditions of oscillation; selective properties of the oscillator; and its efficiency, which may reach 40% when a high-current beam is transported by a strong magnetic field. In the reduced magnetic fields that were employed in the pulsed-periodic regime and were 1.5–2.0 times lower than those at which cyclotron resonance with the counter propagating wave is observed, the oscillator efficiency (30–35% at a wavelength of 8 mm) is limited by position and velocity spreads of particles. Mechanical pulsewise frequency tuning within about 10% at a repetition rate of 1–50 Hz and a multigigawatt microwave power, as well as a rise in the power and energy of microwave pulses via an increase in the cross-sectional dimensions of the slow-wave structure, are demonstrated to be feasible.     

带有反射腔的相对论返波管的数值模拟

 阐述了带有反射腔的相对论返波管的数值模拟研究。利用线性理论[1]设计了返波管的慢波结构，应用SUPERFISH软件设计了谐振反射器。用KARAT软件对谐振反射腔返波管进行了宏观粒子模拟，得到了优化的返波管结构参数，并研究了外加磁场对输出效率的影响。模拟结果表明：谐振反射腔不仅起到截止颈的作用，还有预调制的作用；在低外加磁场条件下，该返波管也能输出较高功率的微波。显示了其在重复频率工作方面的重要意义。     

Relativistic X-band BWO with 3-GW output power

Results from a study of a relativistic X-band backward-wave oscillator (RBWO) with 3-GW output microwave power are presented. The RBWO was driven by the high-current electron accelerator SINUS-7. The dependence of radiated microwave pulse duration on microwave power was obtained. Pulse shortening occurring at the higher power levels is probably attributable to explosive electron emission from the slow wave structure (SWS). An increase in the cross section of the electrodynamic structure seems to be a way to increase the microwave pulse duration. Experimental results from a moderately oversized X-band RBWO using a resonance reflector are described. This tube can be operated with a low external magnetic field     

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     

TM01模虚阴极振荡器实验研究

 在SPARK-04强流相对论电子束加速器上，对轴向反馈式虚阴极振荡器进行了实验研究，并采用远场测量方法对其激励的高功率微波辐射进行了测量，测得了微波辐射主模及辐射功率。结果表明：微波辐射主模为TM₀₁模，辐射功率大于500 MW，微波转换效率大于3%，辐射频率约3.6 GHz，微波脉宽大于20 ns。同时，采用单反射面Vlasov天线，实现了该器件所激励高功率微波的定向传输。     

基于圆柱谐振腔的高功率微波脉冲压缩系统

提出了一种新型的基于圆柱谐振腔的高功率级波脉冲压缩系统,介绍了该系统的结构形式,给出了部分关键器件的数值模拟结果,对系统的功率容量及品质因数进行了初步分析.对于高功率微波(HPM)脉冲压缩系统来说,系统的功率容量与最终获取的HPM功率大小密切相关,谐振腔的固有品质因数与系统效率密不可分,工程实践表明,相对于基于矩形谐振腔的脉冲压缩系统,本文设计的基于圆柱谐振腔的脉冲压缩系统功率容量可提高一个量级,谐振腔的固有品质因数可提高5倍以上. 关键词： 高功率微波 脉冲压缩 谐振腔 功率容量