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.     

L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器的粒子模拟与实验研究

对L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器(MILO)进行了粒子模拟,在输入电压710 kV,电流56.6kA条件下,得到微波输出功率为4.8 GW,微波频率1.22 GHz。根据模拟结果设计MILO实验装置并开展实验研究,介绍了测试方法与测试系统,并对辐射微波功率、频率和模式进行了测量。在二极管电压740 kV,电流61 kA条件下,测得辐射微波功率为3.57 GW,微波脉宽46 ns,微波频率1.23 GHz,功率转换效率8%,辐射微波模式为TM01模。     

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。     

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。     

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。     

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     

毫米波回旋超辐射的粒子模拟与实验研究

 为开发回旋超辐射在毫米波和亚毫米波超辐射高功率微波源中的优势,采用3维PIC粒子模拟对回旋超辐射的工作特性进行了分析,并在此基础上优化设计了器件结构及工作参数范围。模拟表明,微波峰值功率与电子束脉宽在一定范围内成平方关系,符合超辐射的典型特征。初步实验在210 kV, 250 A的电子束参数下获得了6 MW的微波峰值功率输出,工作频率37.2 GHz,模式为TE01,与粒子模拟的结果基本一致。     

40GW重复频率脉冲驱动源研制进展

40 GW重复频率脉冲驱动源是应高功率微波技术发展等需求而设计的一台基于Tesla变压器技术的重复频率脉冲功率装置。40 GW驱动源设计输出功率40 GW,脉宽60 ns,重复频率1~50 Hz,输出功率及重复频率工作状态在一定范围内可调。介绍了40 GW高功率重复频率脉冲驱动源的系统构成、电气及结构参数的确定方法、关键部件的工程工艺技术,并分析了关键绝缘部件的电场分布。已完成驱动源安装并进行了实验调试,其主要单元Tesla变压器的能量效率达到70%,驱动源单次工作状态下输出功率大于40 GW;50Hz重复频率工作状态下,输出功率20.6 GW,系统工作稳定可靠。     

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%。     

Study of superradiance based on a low-voltagebackward wave oscillator

According to the small size requirement for wide-band high-power microwave radiation, a superradiance backward wave oscillator (BWO) is proposed to generate such high-power microwave radiation with a low voltage (～20 kV) pulse power supply and low guiding magnet field (～0.1 T). In order to get a high-efficiency C-band superradiance BWO with a low beam voltage and a low guiding magnet field, the mechanism of superradiance in a BWO is explored in particle-in-cell simulation. With the oversized structure, the simulation shows that a microwave power of 405 kW with a frequency of 5.6 GHz and a spectrum width of 500 MHz can be obtained with a voltage of 23 kV and magnetic field of 0.1 T.     

L波段微波脉冲对微型计算机的辐照效应实验

 在L波段使用1.3 GHz载波频率的微波脉冲辐照微型计算机主板，通过改变脉冲宽度、重复频率和脉冲串长度等参数，实验研究了微波脉冲辐照导致微型计算机失去响应的功率阈值的变化规律，讨论了L波段微波脉冲辐射的积累效应。实验结果表明：当微波脉冲宽度增加时，微波功率阈值下降；当微波脉冲重复频率升高时，微波功率阈值呈下降趋势；在固定重复频率的条件下，微波脉冲数目的增加也会导致微波功率阈值的下降；微波脉冲功率阈值始终小于连续波微波的功率阈值。当微波脉冲间隔时间较长或者脉冲宽度较宽时，微波功率阈值由单个微波脉冲的参数确定，与脉冲重复频率没有明显关系。利用假设的微波脉冲辐射积累效应，可以定性解释和分析微波脉冲辐照微型计算机实验中功率阈值变化的趋势。     

Cherenkov superradiance with a peak power higher than electron flow power

The results of theoretical and experimental studies allowing the use of Cherenkov superradiance for the generation of electromagnetic pulses with a peak power higher than electron flow power are reported. For an injection current of 2.6 kA and a particle energy of 330 keV, the power of a microwave pulse with a carrier frequency of 9.3 GHz and a duration of 0.5 ns attained 1.2 GW.     

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。     

低引导磁场下相对论亚纳秒电子束毫米波返波振荡器的粒子模拟

提出了一种Ka波段的相对论亚纳秒电子束毫米波慢波结构,在较低引导磁场情况下,运用粒子模拟(PIC)方法成功地模拟出器件中波束互作用的非线性物理演化过程,得到了一种超辐射状态下的微波辐射,它的产生与波相对于电子束滑移引起的电子束内电子间相互作用有关,辐射微波的峰值功率与电子束总电荷的平方成正比.粒子模拟有利于对超辐射这种束波互作用非线性物理现象的理解,并且对器件的设计有一定的参考价值.     

Cyclotron superradiance of a high-current electron bunch under group synchronism conditions

We have theoretically and experimentally investigated the process of induced coherent emission (superradiance) in an electron bunch rotating in a homogeneous magnetic field. We have shown that this process makes it possible to generate ultrashort microwave pulses. In this case, the optimum conditions are found under group synchronism conditions, when the translational velocity of the bunch matches the group velocity of the radiation propagating in the waveguide circuit. For experimental investigation of the superradiance, we used a RADAN accelerator with subnanosecond electron pulse sharpener. In the 35 GHz range, we obtained microwave pulses with record short duration, down to 0.4 nsec for a peak power level up to 200 kW. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Fizika, No. 12, pp. 89–97, December, 1996.     

Generation of ultrashort microwave pulses based on cyclotronsuperradiance

We have theoretically and experimentally investigated the superradiance from a bunch of electrons rotating in a homogeneous magnetic field. A RADAN-303B modulator equipped with a subnanosecond pulse slicer has been used to generate high current subnanosecond electron bunches (250 kV, 0.1-1 kA, 0.3-0.5 ns). Transverse momentum was imparted to the electrons by a kicker. It is shown that for the experimental observation of cyclotron superradiance from high current electron bunches the optimum conditions are the conditions of group synchronism, when the translational velocity of the bunch coincides with the group velocity of the radiation propagating in the waveguide. In the 35 GHz range microwave pulses with record short duration, down to 0.4 ns, with a peak power level up to 200 kW, have been obtained     

Theory of cyclotron superradiance from a moving electron bunch under group synchronism conditions

A theory is presented of cyclotron superradiance from an electron bunch rotating in a uniform magnetic field and drifting at a velocity close to the group velocity of a wave propagating in a waveguide. It is shown that, in a comoving frame of reference, the bunch emits radiation at a frequency close to the cutoff frequency of the waveguide. Superradiance implies the azimuthal self-bunching of electrons, which is accompanied by coherent emission of the stored rotational energy in a short electromagnetic pulse. Linear and nonlinear stages of the process are analyzed. The growth rate of the superradiance instability is determined. It is shown that the maximum growth rate is attained under group synchronism conditions. The peak power and the characteristic duration of the cyclotron superradiance pulse are determined by numerical simulation. The characteristic features of the superradiance pulses are described in the comoving and laboratory frames. The results of theoretical analysis are compared with experimental data.