任意时间分布电子束同单间隙微波腔的非线性自洽过程

在高功率微波（HPM）的研究中，电子束同微波腔中微波场相互作用是大家所关心的问题，微波腔中电子束与微波场的相互作用，是一个闭环过程，微波场影响电子的运动，同时电子束作为电流源也产生辐射，影响微波场。不同微波腔的微波场不同，电子束同微波场的相互作用形式也不相同，但是在微波场作用下电子束群聚，群聚的电子束反过来影响微波场的自洽过程。     

准两腔振荡器的理论和实验研究

根据两腔振荡器和返波管的特点提出了准两腔振荡器，其作用机理是两腔振荡器的机理，结构类似返波管.这种结构主要由调制腔组和换能腔组两部分组成，调制腔组实现电子束速度调制，调制后的电子束在通过一个微波场较弱的区间时实现电子束群聚，然后在换能腔组实现电子能量到微波能量的转化，并通过输出结构输出；同时，调制腔组和换能腔组之间存在微波耦合，换能腔组中的一部分微波能量可以耦合到调制腔组，形成一个正反馈回路，在一定条件下实现微波振荡.根据此理论，根据Sinus-700加速器的参数(800 kV，10 kA)设计了一个X波段的高功率微波器件，2.5维Particle in Cell (PIC)程序模拟的效率为28%，微波频率为9.42GHz，微波输出功率为2.25GW，实验上得到的微波输出为微波频率9.40GHz，微波输出功率2.44GW. 关键词： 两腔振荡器 返波管 多波切仑可夫微波器件     

两腔高功率微波振荡器研究

对一种新型两腔振荡器进行了理论和数字模拟研究.这种结构中的调制腔实现电子束速度调制，调制后的电子束在通过两腔之间一个微波场较弱的区间时实现电子束群聚，然后在换能腔实现电子能量到微波能量的转换，并通过输出结构输出.同时，调制腔和换能腔之间存在微波耦合，换能腔中的一部分微波能量可以耦合到调制腔，形成一个正反馈回路，在一定条件下实行微波振荡.设计了一个X波段的器件，理论效率为294%，25维Particle in Cell(PIC)程序模拟的效率为28%，微波频率为942GHz，微波输出功率为225GW. 关键词： 高功率微波 微波腔 模式 自洽方程     

X波段类周期加载微波腔的优化设计和粒子模拟

提出了一种类周期加载微波腔结构，通过理论和全电磁2.5维相对论粒子模拟程序计算，证实了电子束可以与这种谐振腔结构发生相互作用。基于该谐振腔特点，通过ASTRA程序(包含电子束自身空间电荷场的粒子运动模拟程序)设计和优化了一个X波段的类周期加载微波腔振荡器，该振荡器的束波转换效率理论值可达52%，工作频率为9.4 GHz。然后用全电磁2.5维相对论粒子模拟程序进行了进一步的优化，模拟中，输入电压700 kV，电流6.6 kA，磁场4.4 T，其输出功率为1.67 GW，束波转换效率达到36%。实验上输出微波峰值功率达到1.3 GW，脉宽26 ns，束波转换效率为26%。     

X波段类周期加载微波腔的粒子模拟和优化设计

返波管器件在x波段高功率微波研究具有代表性，在返波管中返波辐射随着离阴极距离的减小而增加，使该器件不利于在高功率下工作；为了克服这种问题，采用类周期加微波腔，通讨结构优化，使电子束同前向波作用，在微波腔中微波场主要集中在输出端，利于器件在高功率下工作。近期研究工作将类周期加载微波腔设计工作在X波段，模拟微波输出功率为1．67GW，束波转换效率达到36％；同时用从俄罗斯引进了SNUS-700加速器驱动的初步实验，     

微波谐振腔中电子与微波作用的非稳态过程研究

 在微波腔中微波场影响电子的运动，同时电子束作为电流源也产生辐射，影响微波场，这种相互作用包含线性和非线性过程。根据Maxwell理论，微波腔中的实际微波场可以按微波腔的模式展开，而且不同模式与电子束之间的相互作用不同。将电子束作为激励源，根据Maxwell方程和电子受到的洛伦兹力，建立不同模式在电子束作用下的激励方程和电子束电子在不同模式作用下的运动方程（即微波谐振腔中电子束与微波场相互作用的自洽方程组），并由此进一步分析一维情况下单间隙微波腔中微波建场、辐射场呈指数增长和饱和等非稳态作用过程，该过程涉及到电子束与微波作用的线性和非线性过程。     

任意时间分布电子束与单间隙微波腔的非线性自洽过程研究

将电子束作为激励源，根据Maxwell方程和电子受到的洛伦兹力，给出了描述工作模式在电 子束作用下的激励方程和电子束电子在工作模式作用下的运动方程（即微波谐振腔中电子束 与微波场相互作用的自洽方程组）.根据该自洽方程组，进一步研究了任意时间分布电子束 与单间隙微波腔的相互作用.通过分析微波腔中电子束与微波作用的线性和非线性过程，给 出了电子束调制深度、微波腔作用间隙对微波输出功率的影响.最后从理论上给出了影响微 波输出功率的综合物理参量. 关键词： 微波腔 模式 自洽方程 单间隙微波腔     

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。     

相对论速调管三轴提取腔的分析与设计

分析了同轴漂移管中电子束的空间电荷限制流和能量分布，为了降低S波段相对论速调管放大器(RKA)中电子束空间电荷效应及势能，提高RKA的束波转换效率，提出了三轴结构的输出腔，理论分析RKA的束波转换效率达到36%，比同轴提取腔的束波转换效率提高了9个百分点. 采用数值计算程序设计了三轴提取腔，粒子模拟了S波段RKA的微波提取，取得了与理论分析一致的结果. 采用590kV/5kA的空心电子束，经过预调制腔和群聚腔等两个腔的调制后，采用三轴提取腔提取微波，得到了约1.0GW的微波功率，效率35%. 理论研究结果与实验结果吻合得较好. 关键词： 相对论速调管放大器 三轴提取腔 空间电荷限制流     

新型虚阴极振荡器的研究

 采用小信号理论，在考虑到透射、反射束电子不同作用下，分析了虚阴极振荡器产生微波的机制，获得了计算微波主频的方法，讨论了增强束波作用效率的方法，并提出一种新型结构的虚阴极振荡器。该振荡器的阳极后放置了一个谐振腔，谐振腔长度很小，虚阴极不能在其中形成，谐振腔受到反射电子束激励并建立强场，场对入射电子进行调制，同时采用同轴结构引出微波。利用2.5D PIC 程序对新型的结构进行了数值模拟，验证了理论分析的正确性。在入射电子束电子能量为520keV和电子束流12.5kA的条件下，获得微波平均功率为1GW，频率为3.66GHz，平均束波转换效率为15.3%。     

低磁场谐振腔切仑科夫振荡器-锥形放大器的初步实验研究

设计了一种能工作在低磁场高功率的慢波器件,该器件通过谐振腔将切仑科夫振荡器与锥形放大器有机地结合,充分利用电子的能量,实现了高效的微波产生.给出了初步的实验结果,在束流电压450kV,电流2.3 kA,导引峰值磁场0.6T的情况下,得到230 MW,频率为10.33 GHz,模式TM01的微波输出,效率达到23%.实验结果与粒子模拟结果基本吻合.     

X波段三重轴相对论速调管放大器的设计

分析了同轴腔体间隙束流与电场的相互作用,推导了同轴腔体间隙的耦合系数和电子负载电导,并设计了10⁴ W级注入微波驱动的X波段三重轴相对论速调管放大器,产生了GW级的微波功率输出.通过三维粒子模拟,设计了工作频率为9.37 GHz的三重轴相对论速调管放大器,在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA的条件下,获得的输出微波功率达到1.1 GW,效率为37%,增益为42 dB. 关键词： 同轴腔体 束波互作用 X波段 三重轴相对论速调管放大器     

S波段相对论速调管放大器同轴输出腔的数值模拟

 介绍了S波段强流相对论速调管放大器（RKA）同轴输出腔内束波转换效率和腔主要参数的计算、微波提取的粒子模拟和优化以及实验。模拟计算时，采用单间隙的同轴输出腔，束压580 kV、束流4 kA的环行电子束，基波调制深度为80%，利用3维粒子程序得到约500 MW的微波输出功率，效率21.5%。将该模拟结果应用于实验的设计，实验中采用束压550 kV、束流4 kA的电子束得到功率500 MW、脉宽120 ns的输出微波，束波转换效率22.7%，实验结果与模拟结果吻合较好。     

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%。     

新型金属丝靶电子源实验研究

电子束在基础科学研究、工农业生产和医疗领域发挥了重要作用。提出了一种新型的电子源技术方案:高功率激光脉冲轰击金属丝靶,可以产生大量能量在百keV量级的热电子,一部分热电子在丝靶表面自生电磁场的作用下沿着丝靶运动,丝靶后方可以获得指向性良好的电子束。实验上成功在金、钨和铜丝靶后方获得了电子束团,测量了束团束斑、电荷量和能谱。铜丝靶单发实验收集到的电子束团总电荷量可达3 nC,能量分布在0～240 keV区间内,能谱在100 keV附近呈现峰值。提出了微波压缩方案,设计了2腔微波聚束腔,利用ASTRA对微波腔压缩过程进行了模拟计算。结果显示,可以将电荷量1 nC、长度55 ps的束团压缩至27 ps,满足后续微波加速器对电子源的要求。     

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。     

低磁场S波段相对论返波振荡器的工作特性

为了实现高功率微波发生器的小型化,开展了S波段低磁场相对论返波振荡器工作特性的研究工作。由于S波段返波振荡器频率低,对应的电子回旋共振磁场强度也很低,因此低磁场条件下面临着电子束传输效率低和束波互作用效率低两大问题。为解决上述问题,采取下列措施:通过加大电子束与器件内壁的距离,提高电子束传输效率;采用较深的慢波结构作为提取腔,实现高束波互作用阻抗;提取腔前采用浅深度慢波结构,使提取腔区域的电子速度与微波相速同步。粒子模拟证明,以上措施有效,在引导磁场强度仅为0.17 T、电子束电压435 kV、电流6.5 kA的条件下,该返波管获得功率为670 MW、效率约为25%的输出微波。相对于常规S波段相对论返波振荡器的磁场系统(B=0.8 T),适用于该返波管的0.17 T低强度磁场系统螺线管外半径下降了20%,能耗下降了约93.8%。     

双共焦波导结构二次谐波太赫兹回旋管谐振腔设计

准光共焦波导具有功率容量大、模式密度低的特点,能够有效地减少模式竞争对回旋管互作用的影响,有利于高次谐波太赫兹回旋管的设计.为提高太赫兹准光回旋管的互作用效率,在共焦柱面波导的基础上,研究了一种新型高频互作用结构——双共焦波导结构,设计了一种330 GHz二次谐波双共焦结构回旋管谐振腔并对其进行了理论分析和粒子模拟.研究结果表明,双共焦谐振腔中的高阶模式能够与高次电子回旋谐波发生稳定的相互作用,并且没有模式竞争现象,具备工作在太赫兹波段的潜力.相比普通共焦波导谐振腔,双共焦谐振腔能够增强准光回旋管的注波互作用强度,提高回旋管的输出功率和工作效率.此外,结果还表明双共焦波导中的电磁波模式是一种由两个独立的共焦波导模式叠加而成的混合模式.利用这种混合模式有望实现太赫兹回旋管的单注双频工作,为新型太赫兹辐射源的研究提供了新的途径.