螺旋线行波管慢波结构设计及注波互作用模拟

通过模拟计算,分析螺旋线内径和螺距变化对色散和耦合阻抗的影响,优化慢波结构,初步设计了Ku波段螺旋线行波管慢波结构。模拟行波管输入输出结构,得到输入端反射系数小于-19 dB,电压驻波比小于1.24。电子聚焦系统采用周期永磁聚焦,磁场周期为8.5 mm,计算得到磁场峰值为0.17 T。为提高注波互作用效率,采用具有动态速度渐变特性的慢波结构,使得电子注与高频场有足够的互作用时间,从而保证电子不断地将能量交给高频场。运用三维PIC粒子模拟软件分析行波管的注波互作用,得到在12.5~16 GHz频率范围内输出功率大于88.7 W,电子效率大于14.8%,增益大于34.6 dB。     

Wiggler聚焦带状注速调管电子光学系统的设计

 带状注速调管可以在高频段实现高功率微波输出，电子光学系统是带状注速调管的关键部件。阐述了Wiggler双平面聚焦理论，设计了新型椭圆形柱面阴极和椭圆形聚焦极结构，阴极曲率半径为17 mm，长轴10 mm，短轴4 mm；聚焦极长轴28.8 mm，短轴10.4 mm。采用这种结构可以直接产生椭圆形带状电子注，且阴极发射电流密度较为均匀。设计了周期长度为8 mm，总长度为108 mm，中间带有凹槽并可以实现双平面聚焦的Wiggler结构，模拟显示电子注填充因子在75%左右，通过率达到100%。设计了新型的菱形收集极结构，电子轨迹在收集极内发散均匀。     

带状注速调管电子光学系统的设计与模拟

 设计了对有限宽带状注进行聚焦的周期永磁（PPM）磁场，利用E-GUN，SUPERFISH，MAFIA和PIC模拟软件，建立了计算具有平面对称结构的2维及3维电子光学系统模拟平台,并应用此平台对X波段、100 MW带状注速调管的电子光学系统进行了设计与模拟。结果显示，利用设计的PPM聚焦系统，当磁场周期为60 mm，入口处磁场为0.1 T时，在600 mm的传输距离下，电子注的通过率达到了99.6%。     

W波段带状注扩展互作用振荡器的粒子模拟

设计了一种工作在W波段的振荡器。采用宽高比值为2的薄矩形电子注降低空间电荷效应,周期耦合腔慢波线作为高频结构以增加功率容量,阶梯渐变矩形波导作为输出结构,使输出结构与高频结构匹配连接减少反射。利用三维PIC粒子模拟程序进行数值模拟,分析慢波结构的周期数及周期长度对输出功率、频率及效率的影响。结果表明:当阴极电压为13.0~16.1 kV时,谐振腔能正常工作;谐振腔周期数为9,阴极电压为15.7 kV时输出功率和转换效率最大,输出峰值功率大于1.9 kW,平均功率为980 W,频率为91.6 GHz,转换效率达25%,输出频率随谐振腔周期长度的减小而增大。     

轴对称渐变型类周期慢波结构的色散特性

 运用场匹配法和傅里叶级数理论，提出一种原则上可数值求解任意轴对称渐变型类周期慢波结构色散特性的方法。采用该方法编制了计算渐变型波纹波导和渐变型盘荷波导色散曲线的Matlab程序，详细分析并讨论了这两类典型渐变型类周期慢波结构的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件模拟结果的数据吻合度较高，验证了该数值算法的可靠性。另外，该方法具有较强的普适性和扩展性，也可退化到任意轴对称周期慢波结构色散特性的求解，为慢波结构的设计提供一种简单有效的途径。     

Wiggler聚焦带状注速调管束管的研制

 对Wiggler聚焦带状注速调管电子注截面、聚焦磁场和直流通过率进行了测试,分析了Wiggler聚焦的特点,获得了提高Wiggler聚焦带状注束管直流通过率的调试方法。测试结果表明：同一组磁钢摆放方式不同,电子注的通过率会相差很大;聚焦磁场和电子注匹配不好时,会出现通过率为零的情况。不同周期的直流测试结果表明9 mm周期最佳,在磁场均匀性较差、电压较低的情况下都能获得良好的直流通过率。     

W波段扩展互作用器件均匀磁聚焦电子光学系统

扩展互作用器件,采用三个线圈和一个磁极实现均匀磁场分布。根据理论计算采用有限元法磁学(FEMM)仿真软件对所求磁场进行了建模分析,依据FEMM计算的磁场结合静电电子枪,采用CST仿真软件对高电流密度、高压缩比的电子注在均匀聚焦磁场的作用下传输进行优化。经过计算得出,在工作电压为17 kV、阴极发射电流密度小于10 A/cm2的条件下,由皮尔斯电子枪发射的电子注在均匀磁场的聚焦作用下传输良好,通过率为100%,得到了导流系数为0.175μP的电子枪,在均匀磁场区形成了高电流密度、高压缩比的电子注,平均电流密度达到343.17 A/cm2,压缩比为32,电子注横纵速度比为7.2%。     

螺旋线行波管三维频域非线性注波互作用的计算

基于行波管中慢电磁行波的周期传输特性和能流坡印廷定理,考虑高频结构的衰减、切断、螺距的渐变与跳变对互作用的影响,建立了螺旋线行波管三维场论非线性自洽工作方程组.通过傅里叶展式将时域中的电流变换为与频率相关的交流电流分量,采用等离子体粒子模拟的方法,求解离散化的亥姆霍兹方程获得空间电荷场的三维数值解.计算三维电子轨迹,得到精确的互作用后的电子能谱结构,为多级降压收集极的设计提供关键参数.计算结果与电子所Ku波段的测试值比较具有较好的一致性,并分析了互作用后的电子能谱结构,与多级降压收集极的实验基本符合. 关键词： 行波管 非线性注波互作用 空间电荷场 等离子体粒子模拟     

波纹内导体返波振荡器的热腔特性

 导出了波纹内导体同轴慢波结构热腔色散方程，研究了周期波纹深度、电子注平均半径、电子注电流及加速电压对波纹内导体慢波结构的高频场时间增长率的影响。结果表明：慢波结构周期减小、波纹深度加深、电子注平均半径减小、电子注电流增大、加速电压增大均会使高频场时间增长率增大。建立了粒子模型并应用PIC粒子模拟软件进行仿真，对各影响参数进行优化，结果表明：当加速电压为0.5 MV、电子束电流85 kA、波纹周期长度4.4 cm、波纹幅度为0.23 cm、内轴平均半径为2.9 mm和外壁内径为4.4 cm时，可获得10 GHz，1.1 GW效率约25%的单频微波输出。     

高功率微波同轴阻抗变换器优化设计及功率计算

 在高功率微波应用中,同轴线的阻抗匹配十分重要。通过同轴线内导体的渐变，可以实现阻抗变换与阻抗匹配。内导体渐变可以采用多项式、余弦、指数等函数形式。用时域有限差分方法计算同轴线的反射系数，以同轴线内导体渐变段的长度和反射系数达到最小为目标，采用遗传算法优化渐变段的结构参数，得到了反射系数为0.015、渐变长度为148 mm的同轴线阻抗变换结构。在一套具有16节点的Beowulf型并行计算机系统上采用主从式并行计算技术完成了计算，缩短了遗传算法搜索时间。最后计算和分析了该同轴线阻抗变换结构的带宽和微波功率容量，该结构峰值功率达8.734 MW。     

W波段扩展互作用速调管电子光学系统

W波段扩展互作用速调管电子光学系统由皮尔斯电子枪与均匀永磁聚焦系统组成,用于电子注的产生与传输。利用Vaughan迭代综合法及数值模拟优化设计了皮尔斯电子枪,并按照电子注传输特性要求研制了均匀永磁聚焦结构。根据电子光学系统的三维模拟,导流系数0.21μP,注电流大于0.5A,注平均半径小于0.3mm,射程大于11mm。永磁聚焦磁场约0.33T,传输距离大于50mm,电子注通过率达到100%。电子枪与聚焦系统已加工完毕并通过测试,技术指标满足要求。     

170 GHz回旋管大束流双阳极磁控注入电子枪的分析及设计

 基于绝热压缩原理和强流电子光学理论,设计了一只170 GHz回旋管双阳极磁控注入电子枪,经过理论分析及计算,采用仿真软件进行模拟和优化,最终得到的电子枪的电子注速度比为1.31,横向速度零散度为3.5%,纵向速度零散度为6.1%,束电流为51 A。讨论了阴极磁场、控制阳极电压和第二阳极电压等因素对电子注性能的影响,发现电子注的速度比和速度零散度对这些影响因子的变化都非常敏感:随着阴极磁场的增大,电子注的速度比减小,纵向速度零散度先增大后减小,横向速度零散度先减小后增大;阳极角越接近阴极倾角,纵向速度零散度越小;阳极角向着减小阴阳极间距的方向变化时横向速度零散度变小;增大第一阳极电压可以增大电子注的速度比和电子注的速度零散度。在两阳极电压不变的情况下,增大阴阳极之间的距离会使电子注的速度零散度和电子注的速度比减小。     

低速度零散会切电子枪的设计和数值仿真

根据拉格朗日方程对电子在平滑会切磁场中的径向波动与速度零散的关系进行讨论。运用Matlab,Magic软件相互结合的方法设计电子枪结构和磁场。用Matlab程序模拟单电子在给定电场、磁场中的运动,分析了单电子径向速度对零散的影响,并优化磁场分布。设计的磁场可以有效地减小单电子束径向速度,降低电子束速度零散。用Magic软件对电流为1 A、能量为30 keV的电子束在优化磁场中的运动进行仿真,得到的电子束速度比约为2,速度零散小于2.5%,轴向速度零散小于8.5%。     

0.22THz折叠波导行波管电子光学系统设计与实验研究

设计了一套0.22THz折叠波导行波管电子光学系统,详细介绍了电子枪和周期永磁聚焦系统的设计过程,在电子枪电子束束腰与磁系统不匹配情况下,对磁场过渡区进行了优化设计,以此为基础利用磁场仿真软件对磁场进行模拟和优化,并把磁场位形代入电磁仿真软件进行电子束传输仿真,优化后的电子光学系统发射束流10mA,阴极电压15kV,束流通过率96%。通过实验验证,流通管束流通过率93%,高频样管束流通过率94%,与设计相符。高频样管实现连续波运行,功率大于0.4 W,3dB带宽大于12GHz。     

双阳极回旋管磁控注入电子枪设计

对真实磁场进行拟合,根据电子光学原理以及绝热压缩理论,运用EGUN软件,设计了工作模式为TE34,19的170 GHz回旋管双阳极磁控注入电子枪。最终得到的电子注速度比约为1.3,速度零散小于3%。分析了调节磁场位置、阴阳极间距、阳极间距等因素对电子注性能的影响。结果表明:电子注的速度比和速度零散对于这些影响因子的变化比较敏感,随着阴阳极间距以及阳极间距的增加,速度比逐渐减小,速度零散先减小后增大。设计的双阳极电子枪已应用于整管实验中。     

Design of a high-efficiency low-voltage axially modulatedcusp-injected second-harmonic X-band gyrotron amplifier

We present the theoretical design of a second-harmonic small-orbit gyrotron amplifier which utilizes the interactions between a 35-kV 4-A beam and a TE₀₁₁ cavity to produce over 70 kW of amplified power at 9.9 GHz in a 1.83-kG magnetic field. One of the novel features of this device is that the electron gun produces an axially streaming annular beam which is velocity modulated by a short TM_0n0 input cavity. Perpendicular energy is imparted to the beam via a nonadiabatic magnetic transition at the end of a 13-cm drift region. An electronic efficiency of 53% is predicted with a large signal gain near 20 dB by a single particle code which takes into account nonideal effects associated with finite beam thickness and finite magnetic field transition widths     

Electron Gun for Powerful Large Orbit Gyrotron

In the article, results of numerical simulation of the gun with the cusp of magnetic field are presented. Short pulse version of the gun with explosion emission is investigated. Some preliminary analytical estimation of the beam and gun parameters are performed. Then, numerical optimization of the electrodes shape as well as magnetic field distribution is carried out. For preliminary separation of electrons and formation of the rectilinear beam, anode diaphragm is installed. After then, additional selection of electrons for decreasing the ripple is performed. For this purpose, channel walls are used for interception of some part of the electron beam. Reverse of the magnetic field in the diode part of the gun is formed. So, the formation of the rectilinear beam is combined with the region, where electrons obtain initial gyration energy. To prevent the disperse action of the own beam space charge forces, the system with big gradient of magnetic field (about 0.5-1 kGs/mm) is needed. According to results of the simulation, helical electron beam can be performed even at total compression ratio about 1000 and current density more than 50 kA/cm². The designed electron gun provides acceptable performance for the large orbit gyrotron, such as operating current close to 300 A, the pitch-factor value about 1.5-1.7, deviation of the guiding centers from the axis (the ripple) /10 and /6 for operation on 3-rd and 5-th cyclotron harmonic correspondingly (wavelength =0.5 and 0.3 mm) and velocity spread within the range 10-15%.     

部分屏蔽多极电子鎗聚焦问题

本文对于在有磁场下多阳极电子鎗的电子注聚焦问题进行了理论分析。阴极处磁场可以具有任意屏蔽程度,得到了在加速场内描写电子轨迹的傍轴方程的解析解。在理论分析中,考虑了包括空间电荷效应的情况。     

Experimental investigation of a 140 GHz gyrotron-backward wave oscillator

We report the experimental operation of a voltage tunable gyrotron backward wave oscillator (gyro-BWO) in the frequency range near 140 GHz. Voltage tunability is an important feature of the gyro-BWO for application as a fast tuning source for driving high power free electron lasers or cyclotron autoresonance maser amplifiers. The gyro-BWO operated in an overmoded cylindrical waveguide structure in the TE_1,2 mode. The electron beam source was a Pierce-wiggler gun producing an 80 kV, 6.2 A beam. Frequency tuning with voltage between 134 and 147 GHz was achieved in the TE_1,2 mode with constant magnetic field. However, this tuning was found to be discontinuous. Output powers of up to 2 kW and 2% efficiency were found, significantly below theoretical predictions for a cold beam. The theoretical beam velocity spread was modeled by a 3D beam transport code. The code results show that space charge forces, coupled with the wiggler-induced helical motion and the short cyclotron wavelength of the beam, produce large increases in velocity spread in the magnetic compression region. A beam with smaller velocity spread would be needed to make the gyro-BWO operate at the desired efficiency.