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。     

二极管波过程理论分析

 理论分析了二极管磁绝缘传输线（MITL）区阻抗不连续和二极管阻抗随时间的变化对波过程的影响。结果表明：若MITL区电长度远小于入射波脉宽,则二极管前端测得的电压电流幅值反映了阴极处电压、电流,电压与电流的比值由二极管阻抗确定;为加快阴极处电压、电流前沿,MITL区各段传输线沿波的传输方向可采用阻抗渐增的方式,且取中间元件的阻抗为其两端元件阻抗的均方根;测点电压、电流前沿在时间上可分为传输、全反射和束流形成阶段;梯形电压波入射下,测点波形前沿全反射阶段电压较传输阶段增长速度倍增,电流为一段平台;实际电压波入射下,测点电压波形前沿为一条不断增长的曲线,电流波形前沿存在振荡。     

同轴相对论返波管中波束作用过程

根据同轴相对论返波管的特点建立了物理模型，采用时域有限差分法研究了同轴相对论返波管中波束作用过程。研究表明:同轴相对论返波管中波束作用的输出效率与两端反射系数密切相关，而且其内部场分布特点对于提高输出效率非常有利。经过优化设计，利用 500 keV, 4.0 kA 电子束流，微波起振时间为7 ns，输出效率大于38%，与以往数值模拟和实验结果符合较好。根据计算结果进一步分析得到，与空心相对论返波管相比，同轴相对论返波管中空间电荷效应的影响较小。     

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。     

同轴慢波结构相对论高功率微波产生器理论分析

 推导了同轴波导的空间电荷限制流，其值大于圆波导的空间电荷限制流。因此在阴极电势和束流相等的情况下，同轴波导中的束流具有更高的动能，同轴器件有可能获得更高的微波转换效率。理论推导出同轴慢波结构中考虑束流空间电荷影响的色散方程，利用Matlab进行了编程求解。不考虑束流空间电荷影响时，编程计算结果与Superfish模拟结果一致。由考虑束流空间电荷影响的色散方程数值计算结果，可知文献中提出的同轴慢波结构相对论高功率微波产生器工作在准TEM模的π模，频率为7.67 GHz，峰值时间增长率较高，电子束损失的能量与其初始能量之比为34%。这些结果均与文献中的数值模拟结果一致。同时理论分析说明该种器件无论在能量转换效率，还是在产生微波脉冲的上升时间上均具有优势。     

Comparative research on three types of coaxial slow wave structures

This paper studies three types of coaxial slow wave structures （SWSs）： （1） with ripples on both the inner and outer conductors; （2） with ripples on the outer conductor and smooth on the inner one; and （3） with ripples on the inner conductor and smooth on the outer one. The frequencies, coupling impedances, time growth rates and beam-wave interaction efficiencies of the three types of coaxial SWSs are obtained by theoretical analysis. Moreover, the relativistic Ccrenkov generators （RCGs） with the three types of coaxial SWSs are simulated with a fully electromagnetic particle- in-cell code, and the results verify the theoretical analysis. It is proved that the RCG with double-rippled coaxial SWS has the highest conversion efficiency and the shortest starting time.     

一种X波段过模高效率相对论返波管

设计了一种X波段过模高效率相对论返波管(RBWO),主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6,电子束与结构波TM₀₁模的近π模相互作用,在慢波结构区域束波作用产生的TM₀₁模表面波主要转化为TM₀₂模的体波,其输出微波的模式主要为TM₀₂模,占比为81%,其余为TM₀₁模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路,结合模式匹配法,优化得到了一种双谐振腔反射器结构,其对TM₀₁模与TM₀₂模的反射系数均大于0.99,可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离; 同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制,将促进慢波结构区域的束波作用,有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔,进一步提升了转换效率。PIC仿真中, 在二极管电压900 kV,电流14.3 kA,得到了6.6 GW的输出功率,转换效率约51%。     

Effect of longitudinal applied magnetic field on the self-pinched critical current in intense electron beam diode

The effect of applied longitudinal magnetic field on the self-pinched critical current in the intense electron beam diode is discussed. The self-pinched critical current is derived and its validity is tested by numerical simulations. The results shows that an applied longitudinal magnetic field tends to increase the self-pinched critical current. Without the effect of anode plasma, the maximal diode current approximately equals the self-pinched critical current with the longitudinal magnetic field applied; when self-pinched occurs, the diode current approaches the self-pinched critical current.     

高功率微波振荡器的相位控制

基于相对论返波管振荡器,提出了一种小信号牵引相位控制的方法,通过外加小信号对振荡器起振过程的引导,实现对输出微波的相位控制。相比于传统的方法,该方法可以利用ns量级的脉冲在较宽的带宽和较低的注入功率下实现对高功率微波振荡器的相位控制。在X波段相对论返波管振荡器相位控制实验中,利用百kW级的小信号,实现了对GW级高功率微波的输出相位控制,相位抖动小于±15°。     

同轴慢波结构相对论高功率微波产生器初步实验研究

 对一种同轴慢波结构相对论高功率微波产生器进行了初步的实验研究。利用数值模拟优化得到的结构，建立了实验装置。初步实验结果表明：该种器件具有微波产生效率高的优点，在实验系统并没有达到优化状态的情况下得到的微波转换效率达28%，峰值功率约为1.3 GW。微波频率基本不随二极管电压变化，约为7.7 GHz，这与文献中数值模拟给出的结果一致。