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。     

高功率微波的远场测量

 叙述了高功率微波的远场测量方法，并加以改进。采用改进后的方法对本实验室反射三极管装置所激励的高功率微波进行了测量，测得了辐射方向图，得到了辐射功率，分析了辐射模式。测量结果表明：微波辐射功率超过300MW，辐射频率为2.8GHz，微波脉宽约150ns，辐射模式包含TE₁₁等模式。     

高功率微波的远场测量

叙述了高功率微波的远场测量方法,并加以改进。采用改进后的方法对本实验室反射三极管装置所激励的高功率微波进行了测量,测得了辐射方向图,得到了辐射功率,分析了辐射模式。测量结果表明：微波辐射功率超过300MW,辐射频率为2.8GHz,微波脉宽约150ns,辐射模式包含TE11等模式。     

轴向反馈式虚阴极振荡器辐射微波模式的远场测定

 采用远场测量法测量了虚阴极振荡器波导口的微波辐射方向图及虚阴极振荡器波导口处接上TM₀₁-TE₁₁模式转换器时的微波辐射方向图,接收喇叭口面与微波辐射口之间的距离为1.00 m,满足远场条件。结果表明：两种情况下的辐射主模式分别为TM₀₁模式和TE₁₁模式,从而证实了在实验装置轴对称的条件下,轴向虚阴极振荡器的微波辐射主模式确为理论所预期的TM₂模式。对辐射模式的分析表明,TM₀₁模式纯度约为90%,TE₁₁模式的辐射功率为TM₀₁模式的5%左右;TE₂₁,TE₀₁和TM₁₁模式三者的总辐射功率较TM₀₁模式低一个量级以上,微波辐射功率大于300 MW,辐射频率为4.6 GHz左右,微波脉宽大于40 ns。     

利用波导截止特性测量微波源辐射功率

 对波导的截止特性作了理论分析,并分析了利用该特性进行高功率微波功率测量的可行性及准确性。在远场条件下,利用该特性对工作频率为1.75 GHz的磁绝缘线振荡器进行了微波功率测量。测量结果表明：微波源辐射功率2.3 GW,辐射模式为TM01主模,实测辐射模式方向图与模拟计算结果一致,微波脉宽大于40 ns,未发现明显的功率击穿现象;使用波导截止特性测量微波功率是可行的,有利于防止接收喇叭的功率击穿,测量精度较高。     

利用波导截止特性测量微波源辐射功率

对波导的截止特性作了理论分析,并分析了利用该特性进行高功率微波功率测量的可行性及准确性。在远场条件下,利用该特性对工作频率为1.75 GHz的磁绝缘线振荡器进行了微波功率测量。测量结果表明：微波源辐射功率2.3 GW,辐射模式为TM01主模,实测辐射模式方向图与模拟计算结果一致,微波脉宽大于40 ns,未发现明显的功率击穿现象;使用波导截止特性测量微波功率是可行的,有利于防止接收喇叭的功率击穿,测量精度较高。     

圆波导TE11主模辐射方向性系数的误差分析

 对不同尺寸圆波导TE₁₁模，以及TE₁₁和TM₀₁不同比例混合模式的辐射情况进行了模拟研究，得到了E面、H面功率方向图，通过高功率微波远场测量常采用的假设方向图对称的方法，计算出E面、H面方向性系数，并与模拟得到的方向性系数进行对比。结果表明：TE₁₁单模及TE₁₁模与功率占5%，10%的TM₀₁模混合情况下，H面方向性系数与模拟得到的方向性系数最大差值小于0.8 dB，E面方向性系数与模拟值最小差值大于1 dB。因此，在这些情况下，H面方向性系数更接近于方向性系数，采用H面方向性系数计算功率结果更接近实际值。     

轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器

 轴向提取矩形波导TE₁₀模虚阴极振荡器可以不需要模式转换器或弯曲过渡波导而直接通过天线轴向辐射微波，从而使微波源及其辐射系统更加紧凑。粒子模拟结果表明，在400 keV，8.9 kA的束流条件下，轴向提取矩形波导TE₁₀模虚阴极振荡器在2.12 GHz处可以获得功率为500 MW的高功率微波输出，功率效率为14%，频率、模式纯净。这些结果为相同波段同类装置的小型化提供了一条可能的技术途径。     

射频远红外波导自由电子激光器的新特性

 提出了用波导本征模展开的方法计算射频调制的短脉冲电子束在矩形波导中的自发辐射。模展开系数决定了辐射进入TE_0n模的功率。将短脉冲理想化为时间上的d函数,可以发现当辐射频率正好等于用来调制电子束的射频的整数倍时,辐射模式表现为“纯”的波导本征模,此时辐射功率最强。用此方法估算了设计中的上海远红外波导自由电子激光器的辐射功率。     

向内发射同轴虚阴极振荡器实验研究

 同轴型虚阴极振荡器是一种较有发展潜力的虚阴极振荡器，对西北核技术研究所近期的同轴型虚阴极振荡器实验的结果进行了介绍。实验结果表明，在不带有阳极反射板的同轴虚阴极振荡器中，产生微波的主模为TE₁₁模，与常规的轴向发射虚阴极振荡器相比，其主频稳定且带宽较窄；在二极管电压300kV，电流18kA条件下，获得了功率约为200MW的高功率微波脉冲，效率约为3.6%，工作频率为2.7GHz。     

轴向反馈式虚阴极振荡器辐射微波模式的远场测定

采用远场测量法测量了虚阴极振荡器波导口的微波辐射方向图及虚阴极振荡器波导口处接上TM01-TE11模式转换器时的微波辐射方向图,接收喇叭口面与微波辐射口之间的距离为1.00 m,满足远场条件。结果表明：两种情况下的辐射主模式分别为TM01模式和TE11模式,从而证实了在实验装置轴对称的条件下,轴向虚阴极振荡器的微波辐射主模式确为理论所预期的TM2模式。对辐射模式的分析表明,TM01模式纯度约为90%,TE11模式的辐射功率为TM01模式的5%左右;TE21,TE01和TM11模式三者的总辐射功率较TM01模式低一个量级以上,微波辐射功率大于300 MW,辐射频率为4.6 GHz左右,微波脉宽大于40 ns。     

用天线阵测量圆柱过模波导中虚阴极振荡器产生的高功率微波模式和功率

介绍在圆柱过模波导中虚阴极振荡器产生高功率微波实验中用天线阵测量微波模式的原理和方法。测量微波模式对研究高功率微波产生的机理具有重要意义。结合在圆柱过模波导壁上安装小电探针天线和小磁环天线测量微波模式的方法,用天线阵测量圆柱过模波导中开口辐射的电磁场空间分布。应用最小二乘法优化原理拟合高功率微波模式功率分布。用天线阵测量了圆柱过模波导中虚阴极振荡器产生高功率微波混合模式功率分布。     

30GHz RF脉冲压缩器设计

为得到脉宽150ns，功率超过100MW的30GHz微波脉冲，采用MSLED-II原理设计了30GHz RF-脉冲压缩器。H-Hybrid，TE100口-TE10o模式转换器等器件都采用了新型设计，所有微波器件的设计充分考虑了高功率下的适用性，没有容易引起打火的调谐杆、容性膜片等部件。在微波器件的设计中用HFSS软件进行了详尽的模拟。加工并测试了H-Hybrid，且用在CERN的RF脉冲展宽器上。     

大平面二极管虚阴极振荡器的宽脉冲微波辐射

给出了产生宽脉冲微波辐射的大平面天鹅绒二极管虚阴极振荡器的结构和测试装置，测得了二极管中阴－阳极等离子体的闭合速率为３０～４３ｋｍ／ｓ，获得了微波辐射的最大脉宽为１．５μｓ，产生的微波峰值功率约为１５ＭＷ，频率为０．５ＧＨＺ，指出这种平面二极管型虚阴极振荡器在辐射脉宽，辐射频率和辐射功率三者之间存在着物理上的制约关系，认为同轴型虚阴极振荡器是突破这种制约关系的一个新途径．     

大平面二极管虚阴极振荡器的宽脉冲微波辐射

给出了产生宽脉冲微波辐射的大平面天鹅绒二极管虚阴极振荡器的结构和测试装置,测得了二极管中阴–阳极等离子体的闭合速率为30~43km/s,获得了微波辐射的最大脉宽为1.5μs,产生的微波峰值功率约为15MW,频率为0.5GHz,指出这种平面二极管型虚阴极振荡器在辐射脉宽,辐射频率和辐射功率三者之间存在着物理上的制约关系,认为同轴型虚阴极振荡器是突破这种制约关系的一个新途径。     

Optimization of the parameters of a virtual-cathode oscillator with an inhomogeneous magnetic field

A two-dimensional numerical model is used to study the generation of powerful microwave radiation in a vircator with an inhomogeneous magnetic field applied to focus a beam. The characteristics of the external inhomogeneous magnetic field are found to strongly affect the vircator generation characteristics. Mathematical optimization is used to search for the optimum parameters of the magnetic periodic focusing system of the oscillator in order to achieve the maximum power of the output microwave radiation. The dependences of the output vircator power on the characteristics of the external inhomogeneous magnetic field are studied near the optimum control parameters. The physical processes that occur in optimized virtual cathode oscillators are investigated.     

多腔虚阴极振荡器研究

提出了一种具有预调制腔、主谐振腔和提取腔组成的多腔轴向提取虚阴极振荡器结构。腔体特性分析表明其在工作频段可以获得更高的提取效率。粒子模拟显示该结构在电压700 kV,电流23 kA的条件下,可输出功率大于1.7 GW,频率4.0 GHz,功率效率大于10％的微波。初步的实验研究获得了辐射功率约700 MW,频率约4.1 GHz的微波输出。对实验结果的进一步分析表明,通过适当加大器件虚阴极振荡工作区微波管直径的方法可以有效改善器件的谐振性能,从而获得更好的工作性能。     

多腔虚阴极振荡器研究

 提出了一种具有预调制腔、主谐振腔和提取腔组成的多腔轴向提取虚阴极振荡器结构。腔体特性分析表明其在工作频段可以获得更高的提取效率。粒子模拟显示该结构在电压700 kV,电流23 kA的条件下,可输出功率大于1.7 GW,频率4.0 GHz,功率效率大于10％的微波。初步的实验研究获得了辐射功率约700 MW,频率约4.1 GHz的微波输出。对实验结果的进一步分析表明,通过适当加大器件虚阴极振荡工作区微波管直径的方法可以有效改善器件的谐振性能,从而获得更好的工作性能。