三腔谐振腔渡越时间效应的小信号分析

 以小信号条件下入射相位为φ0的单个电子在驻波电场中的运动为基础,研究了电子束在三腔谐振腔π模驻波场中的渡越时间效应,导出了三腔谐振腔的电子负载电导的表达式,讨论了三腔谐振腔中束波能量交换情况。     

X波段五腔渡越管振荡器的理论与实验

随着脉冲功率技术和等离子体物理的不断发展，出现了一类基于电子束在谐振腔中的渡越时间效应的渡越辐射机制来产生高功率微波的器件。该类微波器件的起源是单腔管(TTO)，近年来，美国科学家提出了分离腔振荡器(SCO)，后来又研制出超级后加速振荡器（Super-Reltron)（通过对这些器件的研究，提出并仔细研究了基于渡越时间效应的渡越管振荡器。     

径向三腔渡越时间振荡器数值模拟

 基于渡越辐射机理结合径向结构的低阻抗特性,提出了一种新型的低阻抗高功率微波器件——径向三腔渡越时间振荡器,它由3个等间距的边耦合同轴腔组成,径向运动电子束与谐振腔中的角向均匀模式场相互作用。采用PIC粒子模拟程序进行了模拟研究。在电子束能量450 keV、束流60 kA且无外加引导磁场的条件下,当结构参数网长为4.8 cm,腔间距为1.4 cm,电子发射面为0.8 cm,内径为8 cm时,获得了平均功率7.4 GW,频率4.1 GHz的微波输出,效率达27.4%,阻抗7.5 Ω。通过粒子模拟给出了束波互作用效率随电子束电压、电流以及谐振腔间距的变化曲线,电子束电压对输出微波频率的影响曲线以及不同谐振频率与最佳谐振腔间距的对应曲线,这些曲线表明该器件具有渡越时间效应的基本特征,属于渡越辐射器件,且具有对电子束质量要求不高的特点。     

谐振腔链色散关系及场分布的解析研究

从圆柱坐标系下的Borgnis位函数的齐次标量Helmholtz方程出发,引入慢波驻波概念及其场 表达式,利用Borgnis位函数的边界条件及相邻子区公共界面上的场匹配条件,导出了整腔 结尾的谐振腔链内角向均匀TM模的色散关系及场分布的解析表达式.运用该解析法对实际器 件——四腔渡越管振荡器进行了求解,求得的谐振频率与实验中测得的微波频率一致,求得 的场分布与数值法得到的场分布十分符合. 关键词： 谐振腔链 色散关系 场分布 解析法     

渡越加宽对非均匀加宽线型和线宽的影响

本文讨论了流动和化学激光器的非均匀加宽介质吸收或发射谱线中的渡越加宽效应;导出了线型函数的积分表示;并在高速流的条件下得到中心频率处线型函数近似表示式;在等效线宽近似下得到渡越加宽使得线宽的增加随流速加快的关系式;并用激光谐振腔菲涅尔数讨论了渡越加宽有意义的条件。     

Ka波段带状注相对论扩展互作用速调管放大器的分析与设计

带状注相对论扩展互作用速调管放大器是一种高功率、高频率的微波毫米波放大型器件, 具有广阔的应用前景. 本文分析了扩展互作用结构多间隙谐振腔的渡越时间效应, 推导了2π模场情况下谐振腔的能量交换系数和电子负载电导, 且通过计算表明工作在2π模式三间隙腔的电子负载电导是单间隙腔的9倍左右, 多间隙结构有利于提高器件效率. 利用三维粒子仿真软件, 对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用速调管放大器进行了模拟研究, 采用宽高比为30:1的带状电子束以降低空间电荷效应, 在电子束电压为500 kV, 束流为1 kA, 轴向引导磁感应强度为0.8 T的情况下, 器件输出微波功率为190 MW, 频率为40 GHz, 器件效率为38%, 器件增益为69 dB.     

新型径向边加载渡越时间振荡器

 根据渡越时间效应3维理论研究,设计了一种工作于6.1 GHz的新型径向边加载渡越时间振荡器。为增强电子束在谐振腔中的横向摆动,部分加大了高频结构中金属圆筒端部的宽度,以增大横向电场的的分布区域。3维理论分析表明,该器件的效率可以超过50%。粒子模拟研究表明,该器件在170 kV,18 kA的电子束激励下,平均输出功率达到1.6 GW,束波互作用效率为52.3%。     

X波段渡越辐射振荡器的理论和实验

研究了电子束在任意驻波场中的渡越辐射，并结合课题的需要探索了基于渡越辐射在X波段产生高功率微波的可行性。研究工作包括以下部分。     

基于谐振腔增强型石墨烯光电探测器的设计及性能分析

提出了一种具有超薄有源层的谐振腔增强型石墨烯光电探测器的设计方法,利用谐振腔结构可以将光场限制在腔内,有效增强探测器的吸收.通过研究谐振腔内光场谐振条件及谐振模式下探测器响应度增强的机理,建立了驻波效应下谐振腔增强型石墨烯光电探测器光吸收模型,仿真分析谐振腔反射镜反射率、谐振腔腔长对于腔内光场增强器件性能的影响.理论分析表明,谐振腔增强型石墨烯光电探测器在850 nm处响应度可达0.5 A/W,相比无腔状态下提高了32倍;半高全宽为10 nm.采用谐振腔结构能够提高石墨烯光电探测器件的光电响应,为解决光电探测器响应度与响应速度之间的相互制约关系提供了途径.     

X波段五腔渡越管振荡器的高频特性研究

 从麦克斯韦方程出发，采用时域有限差分的方法，对X波段五腔渡越管振荡器的谐振腔进行了高频特性研究，给出了该谐振腔中的TM₀₁模的非π模式的本征频率、Q值以及对应的场分布，并用实验冷测法测出了谐振腔的谐振频率与Q值。数值计算与实验结果比较一致，说明了该高频特性研究结果的可靠性。     

Theoretical and experimental researches on C-band three-cavity transit-time effect oscillator

In recent years great progress has been made in the plasma technology, pulsed-power technology, and the PIC simulation tools. At the same time, great efforts have been made in the research of the directed energy weapon. As a result, the technol-ogy of the high power microwave (HPM) has been developing rapidly[1]. Over the past 30 years, dozens of HPM sources have been found, with the maximum peak power reaching 15GW, the maximum energy of the single pulse 600 J, and the frequency stretchi…     

10kV绝缘栅双极型晶体管固体开关的研制

采用8只IXLF19N250A绝缘栅双极型晶体管串联研制成功了10kV固体开关。试验表明:该固体开关最高输出电压为14kV，最高输出脉冲电流为20A、输出脉冲宽度可在2~112μs之间以1μs步长变化，脉冲重复频率范围为1Hz~4kHz，短时间可以工作到8.6kHz。     

X波段五腔渡越管振荡器的理论与实验研究

 提出了一种新结构的X波段五腔渡越管振荡器，进行了理论和实验研究。根据场分布进行了一维非线性分析，结果表明该结构可以产生高功率微波，并判断了工作模式，为TM₀₁模的3π/5模。采用粒子模拟验证了一维非线性分析的结论，并优化设计出五腔渡越管振荡器,优化结果为：输出功率约1 GW， 工作频率9.3 GHz，束波转换效率约22%。实验中，通过参数调节，得到频率约9.25 GHz，峰值功率约780 MW，脉宽（半高宽）21 ns的输出微波，束波转换效率约为16%。实验结果与模拟结果基本符合。     

A proposed 4 GHz, 60 kW transit-time oscillator operating at 18 kVbeam voltage

A high-power transit-time oscillator operating at 4.0 GHz in the cylindrical-cavity TM₀₁₀ mode is proposed. Without requiring an externally applied magnetic field, the oscillator comprises a diode electron gun and a cylindrical cavity that are combined into a single unit that makes for a compact, lightweight device. The transit-time effect, which underlies the operation principle of the oscillator, is examined through a small-signal analysis from which a relation embodying the cavity length, resonant frequency, and cathode voltage is derived. Proper DC voltages of 18 kV are applied to the diode gun which runs in the space-charge-limited regime and produces a 27 A-current hollow electron beam. Output power is extracted axially from the system by aperture coupling the cavity to an external waveguide where outgoing travelling waves with 60 kW peak power are observed by means of 2.5 D particle-in-cell computer simulations     

一种新型的高功率高频率同轴渡越时间振荡器

 提出了一种高频率和高功率的渡越时间振荡器,并且对其进行了理论和数值研究。这种振荡器采用同轴结构，功率容量大，不需要外加引导磁场聚焦电子束，波束相互作用区短，保持了传统渡越时间振荡器在结构上的简单性和输出信号的稳定性；运用电压为225kV和电流为11kA的电子束进行模拟，在X波段获得了峰值功率为1.4GW，频率为8.335GHz的微波输出。     

谐振管中混合工质的热声分离效应

本文在可压缩SIMPLE算法的基础上,基于先求解二维热声谐振腔内的速度场和温度场,然后利用求出的速度和温度值求解组分浓度场的思路,对混合工质的热声分离现象进行了数值研究。研究结果表明:在热声效应和热扩散效应共同作用下,声波能够将混合物中的两种气体分别泵向谐振腔的压力腹点和节点,使得混合气体在声波传播方向上逐渐分离。另外,通过考察5种不同管径下谐振管内径向浓度的变化规律,详细研究了浓度边界层在径向上的影响范围以及不同管径下的分离效率,并提出最佳管径应为16倍浓度渗透深度左右。     

Self-Focusing and Channeling of Wave Beams in a Nonuniform Magnetic Field under Conditions of Ionization Nonlinearity

We study experimentally the effect of ionization self-channeling of waves at the whistler frequencies in a nonuniform magnetic field. It is shown that the formed plasma nonuniformity localizes the radiation from a short high-frequency source inside a discharge channel stretched along an external magnetic field. We found a possibility to control the parameters of the formed plasma-wave channel as well as the dispersion characteristics and structure of wave fields in wide limits by varying the magnetic field in a specified spatial region. We propose a method for the formation of a plasma resonator and test this method in the laboratory experiment. The spatial plasma and field distributions in this resonator are similar to those along a geomagnetic field tube of the magnetospheric resonator. We reveal the plasma instability in such a resonator in the vicinity of the frequency of electron bounce oscillations between magnetic mirrors.     

Theory and simulation of an 85 GHz quasioptical gyroklystron experiment

The linear theory used to design a two-resonator 85 GHz quasioptical gyroklystron with a nonuniform magnetic field is presented. It is shown that a tapered magnetic field in the prebunching resonator has a relatively small effect on the electron bunching parameter. The effect of velocity spread of the electron beam can be minimized by adjusting the magnetic field strength in the two resonators. Measured amplifier performance is in good agreement with calculations from the nonlinear multimode simulation code. Gyrophase bunching of the electrons is preserved over the long drift region (30 radiation wavelengths) even though no attempt has been made to minimize the velocity spread of the beam.