S波段束流相位探测腔与偏心式波导耦合预聚束器的设计

设计了工作于S波段的波导耦合型预聚束器和束流相位探测腔。为了增加功率容量,预聚束器采用波导耦合机制代替了传统的同轴耦合环耦合,而偏心圆结构的设计能够补偿因耦合窗口的引入导致的径向电场不对称,进一步改善了强流束流品质。预聚束器设计指标与测试结果：耦合系数1.73,空载品质因数2195,腔体谐振频率的可调范围为2 854.55~2 856.9 MHz。为实现测量束流相对射频脉冲的时间,进行强流输入功率补偿,选择了能够在线进行束流相位实时测量的束流相位探测腔,采用旋转对称结构,并通过两个同轴耦合环提取束流通过时激发的感应信号,作为直线相控系统的参考信号。束流相位探测腔设计与测试结果：空载品质因数2392,3 dB带宽为2.05 MHz,腔体谐振频率的可调范围为2 805.45~2 809.45 MHz。所有器件的仿真设计与测试结果基本一致。     

S波段束流相位探测腔与偏心式波导耦合预聚束器的设计

设计了工作于S波段的波导耦合型预聚束器和束流相位探测腔。为了增加功率容量,预聚束器采用波导耦合机制代替了传统的同轴耦合环耦合,而偏心圆结构的设计能够补偿因耦合窗口的引入导致的径向电场不对称,进一步改善了强流束流品质。预聚束器设计指标与测试结果:耦合系数1.73,空载品质因数2195,腔体谐振频率的可调范围为2 854.55~2 856.9 MHz。为实现测量束流相对射频脉冲的时间,进行强流输入功率补偿,选择了能够在线进行束流相位实时测量的束流相位探测腔,采用旋转对称结构,并通过两个同轴耦合环提取束流通过时激发的感应信号,作为直线相控系统的参考信号。束流相位探测腔设计与测试结果:空载品质因数2392,3dB带宽为2.05MHz,腔体谐振频率的可调范围为2 805.45~2 809.45MHz。所有器件的仿真设计与测试结果基本一致。     

孔缝对金属腔体强电磁脉冲耦合特性影响研究

核电磁脉冲和高功率微波等强电磁脉冲易造成电子设备功能失效甚至损毁,在实际工程实施中用金属腔体对电子设备进行屏蔽是常用的强电磁脉冲抑制手段。基于电磁仿真计算,对含矩形孔缝金属腔体的强电磁脉冲耦合特性进行了系统研究,阐述了孔缝宽长比、腔体尺寸等因素对多种不同类型强电磁脉冲（核电磁脉冲、宽带高功率微波、窄带高功率微波）作用下腔体内耦合场的影响;并以此为基础,重点分析了强电磁脉冲与含孔缝金属腔体之间的作用机制。研究结果表明：不同类型强电磁脉冲耦合信号差异明显,金属腔体对强电磁脉冲的响应是腔体谐振模式、孔缝谐振频率与强电磁脉冲共同作用的结果;当腔体谐振模式、孔缝谐振频率在强电磁脉冲的带内时,腔体内部的耦合场会出现增强效应;特别地,腔体与孔缝间的相互作用还可造成腔体与缝隙的谐振频率发生偏移。因此,在为电子设备设计金属屏蔽外壳时,应基于不同强电磁脉冲的频带范围,对腔体与孔缝的尺寸进行综合设计,抑制腔体、孔缝谐振及谐振频率偏移,提升其强电磁脉冲防护性能。     

超宽带电磁脉冲对典型引信的耦合效应研究

为明晰超宽带电磁脉冲对典型无线电引信的干扰和损伤影响,应用时域有限积分法对典型无线电引信腔体耦合效应进行了数值模拟研究。以典型无线电引信腔体及其低频电路板实际结构为对象进行建模,仿真研究了超宽带电磁脉冲对该引信腔体的耦合特性,分析了引信高低频电路间连线过孔参数和脉冲参数对耦合效应的影响规律,研究了加装印刷电路板对耦合效应的影响。结果表明：与圆形和正方形孔缝相比,矩形孔缝的耦合系数受极化方向的影响显著;脉冲上升时间越小,耦合系数越大;加装印刷电路板后,腔体相同位置处耦合系数下降,谐振频率改变。     

超宽带电磁脉冲对典型引信的耦合效应研究

为明晰超宽带电磁脉冲对典型无线电引信的干扰和损伤影响,应用时域有限积分法对典型无线电引信腔体耦合效应进行了数值模拟研究。以典型无线电引信腔体及其低频电路板实际结构为对象进行建模,仿真研究了超宽带电磁脉冲对该引信腔体的耦合特性,分析了引信高低频电路间连线过孔参数和脉冲参数对耦合效应的影响规律,研究了加装印刷电路板对耦合效应的影响。结果表明:与圆形和正方形孔缝相比,矩形孔缝的耦合系数受极化方向的影响显著;脉冲上升时间越小,耦合系数越大;加装印刷电路板后,腔体相同位置处耦合系数下降,谐振频率改变。     

单谐振腔外部Q值的计算方法

 通过对带有耦合器的单驻波腔进行等效电路分析,推导出可计算带有耦合波导的单谐振腔外部Q值的反射相位法,该方法通过计算不同频率的反射相位来确定谐振频率和外部Q值。详细叙述了在CST Microwave Studio中用谐振模式求解法、直接时域跟踪法和反射相位法进行计算的步骤;用这3种方法分别计算了二次发射微波电子枪的外部Q值并和实验测量结果做了比较。结果显示3种计算方法都有很高的精度,但反射相位法的速度最快,耗时1 071 s。计算发现外部Q值与耦合口长度的4.1次方成反比。     

单谐振腔外部Q值的计算方法

通过对带有耦合器的单驻波腔进行等效电路分析,推导出可计算带有耦合波导的单谐振腔外部Q值的反射相位法,该方法通过计算不同频率的反射相位来确定谐振频率和外部Q值。详细叙述了在CST Microwave Studio中用谐振模式求解法、直接时域跟踪法和反射相位法进行计算的步骤;用这3种方法分别计算了二次发射微波电子枪的外部Q值并和实验测量结果做了比较。结果显示3种计算方法都有很高的精度,但反射相位法的速度最快,耗时1 071 s。计算发现外部Q值与耦合口长度的4.1次方成反比。     

随机耦合模型复杂腔体电磁耦合效应统计特性

针对微波脉冲激励下复杂屏蔽腔体内部电路耦合电磁量计算的问题,建立了一个微波混沌腔体,通过测试获取了含内部电路的腔体辐射和辐射散射参数,利用随机耦合模型（RCM）,对干扰脉冲能量进行了归一化处理,计算分析了微波脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲数目以及腔体损耗因子对目标点感应电磁量统计分布的影响。计算结果表明：脉冲干扰下电路目标点耦合电磁量强于功率源激励;在脉冲能量一定的条件下,目标点耦合电磁量与微波脉冲的宽度、间隔和数目的变化均呈现一定的谐振特性,且单脉冲激励对电路的影响明显强于多脉冲。与此同时,实验还研究了电路易受电磁干扰的目标点的确定方法。     

加速器电容耦合的研究

首先从腔体的等效集总参数电路出发, 推导出了腔体等效输入阻抗和腔体特性参数, 如谐振频率、并联阻抗及耦合电容的关系. 以此为出发点, 得到了理想耦合所需要的耦合电容大小和腔体参数的关系, 总结出了高频腔体电容耦合系统设计的一般方法. 以一台质子回旋加速器模型腔体为例, 对计算结果和测量结果进行对比分析, 讨论了其结果的可靠性及使用范围.     

锁相环在超导射频技术中的应用

利用压控振荡器锁相环路(VCO-PLL)锁定超导射频谐振腔体的本征频率,使腔体稳定谐振。在原理验证阶段,利用NI-Labview对实验原理做了仿真。得到的仿真结果显示,环路增益选取的不同会直接影响整个系统的锁定状态。在实验测试阶段,根据原理和仿真结果搭建了相应的实验平台,从而得到环路锁定的测试结果。最后在低温超导态测试阶段,用经过验证的实验平台对IMP-HWR010超导腔体进行了频率锁定测试,并得到了腔体频率随氦压变化的实际测量结果,df/dp约为0.73 Hz/Pa。     

用于微波电子枪的双重入腔及其阴极结构

介绍一台用于热阴极微波电子枪的双重入驻波腔及其阴极结构．根据微波枪束品质要求，首先定出腔体基本参数，然后报告了腔形、场分布、谐振频率、耦合度等的设计考虑，并给出腔体测量结果，最后介绍了阴极结构的设计．     

CSR-LINAC IH-RFQ的高频电磁设计

中国科学院近代物理研究所在CSR-LINAC项目中设计了一台108.48 MHz的IH型RFQ直线加速器。该RFQ可以将质荷比为3~7的离子从4 keV/u加速到300 keV/u。在完成束流动力学设计的基础上,主要针对RFQ腔体的高频电磁设计展开了研究,同时利用了电磁场仿真和束流动力学模拟来研究腔体的四极场不平整度和二极场及其动力学影响。未经调谐的情况下,腔体的谐振频率为108.15 MHz,腔体空载品质因子Q₀为5 910,腔体功耗为123 kW。通过在支撑板两端增加底切的设计,将腔体的四极场不平整度由-21%~ 12%优化至±2.5%,满足了束流动力学要求。腔体的二极场为-3%~ -2.2%,使得束流在垂直方向小幅振荡,RFQ的垂直方向接受度减小5%。为了保证功率馈入时反射较小,将耦合器设置在临界耦合状态,耦合面积为940 mm2。为了补偿腔体的频率偏差和漂移,设计了调谐量分别为707和132 kHz的固定调谐器和可动调谐器。The 108.48 MHz IH type RFQ for CSR-LINAC project is under design at Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences. This RFQ can accelerate heavy ions with mass to charge ratio of 3~7 from 4 keV/u to 300 keV/u. According to the beam dynamics requirement, the RF structure design has been finished. The quadrupole field unflatness and dipole field of the cavity were studied by electromagnetic simulation and beam dynamics simulation. The frequency of the cavity without tuning is 108.15 MHz, the Q₀ of the cavity is 5910, and the RF power loss is 123 kW. The quadrupole field unflatness of ±2.5%,which was -21%~12% before optimizing, is achieved to meet dynamics requirement through the undercuts in cavity supporters. The dipole field of -3%~ -2.2% causes the oscillation of the beam center and acceptance reduction of 5%. The power coupler must be in critical coupling state with the coupling area of 940 mm2 for minimum reflection coefficient. The tuners, consist of coarse and fine tuners with frequency shift of 707 and 132 kHz respectively, is used for tuning of frequency deviation of the cavity.     

二次发射微波电子枪的模拟计算及其特性分析

 采用URMEL-T程序进行了二次发射微波电子枪的腔内电磁计算和特性分析。同时利用URMEL-T得出的腔内轴向电场及自编程序,模拟电子在该高频场作用下的运动。计算表明二次发射微波电子枪确实具有相位选择性,进而探讨了腔形尺寸、射频电场强度对相位选择性和产生二次倍增的有关条件的影响,以及输出电子的能量稳定性。模拟结果表明,这类电子枪（MPG）可得到高电流密度（5303A/cm²）及短脉冲（3.15~10ps）的电子束。     

C波段能量倍增器的研制

C波段（5712 MHz）能量倍增器SLED是我国研制的首台C波段能量倍增器。简述了利用三维电磁场仿真软件HFSS和CST对C波段能量倍增器的高品质因数储能腔、耦合孔、3 dB桥等进行优化设计的情况,对加工的能量倍增器做了射频低功率测试,实验测试和理论计算的一致性很好,测试结果表明所有技术参数指标均达到了设计要求。     

C波段能量倍增器的研制

C波段(5712 MHz)能量倍增器——SLED是我国研制的首台C波段能量倍增器。简述了利用三维电磁场仿真软件HFSS和CST对C波段能量倍增器的高品质因数储能腔、耦合孔、3 dB桥等进行优化设计的情况,对加工的能量倍增器做了射频低功率测试,实验测试和理论计算的一致性很好,测试结果表明所有技术参数指标均达到了设计要求。     

W–band光注入器的模拟研究

模拟研究了1.6个腔、高梯度的W-band光阴极微波电子枪系统,该系统能产生和加速300pC的电子束团.设计系统由频率91.392GHz光阴极微波电子枪以及频率91.392GHz行波加速结构组成.基于射频直线加速器标度律与数值模拟结果,设计系统能产生能量1.74MeV,电量300pC,束团长度0.72ps,归一化横向发射度0.55mm·mrad的电子束团.研究了高频、高梯度下的束流动力学.由于高梯度,有质动力效应在束流动力学中起重要作用,且由于横向与纵向之间的耦合,在基次空间谐波的情形下,仍然存在着有质动力聚焦效应.     

用紧束缚方法描述光子晶体缺陷耦合的共振频率移动

通常采用含两个耦合参数的紧束缚近似，就能很好地描述光子晶体缺陷因耦合而导致的共振频率分裂.然而，缺陷耦合造成的共振频率移动，即包含奇数个缺陷的耦合系统的中央共振频率位置与原来单缺陷时的共振频率位置存在差异，则只有采用含三个耦合参数的严格紧束缚方法才能正确描述.根据耦合参数与共振频率的关系，利用三缺陷耦合系统的模拟计算结果确定了三个耦合参数的具体值，从而在理论上能够预言由任意个缺陷构成的耦合系统的共振频率的移动和分裂.理论预言与基于有限时域差分法的数值计算完全相符.     

A design of resonant cavity with an improved coupling-adjusting mechanism for the W-band EPR spectrometer

We report a new design of resonant cavity for a W-band electron paramagnetic resonance (EPR) spectrometer. An improved coupling-adjusting mechanism, which is robust, compact, and suits with both solenoid-type and split-pair magnets, is utilized on the cavity, and thus enables both continuous-wave (CW) and pulsed EPR experiments. It is achieved by a tiny metal cylinder in the iris. The coupling coefficient can be varied from 0.2 to 17.9. Furthermore, two pistons at each end of the cavity allow for adjustment of the resonant frequency. A horizontal TE₀₁₁ geometry also makes the cavity compatible with the two frequently used types of magnets. The coupling-varying ability has been demonstrated by reflection coefficient (S₁₁) measurement. CW and pulsed EPR experiments have been conducted. The performance data indicates a prospect of wide applications of the cavity in fields of physics, chemistry and biology.     

钹型换能器的优化设计*

本文研究的钹型换能器,是由一个压电陶瓷圆环和一个金属浅球壳组成。为了得到这种钹型换能器的解析解和它在不同介质中的机电性能。首先,根据前人得出的压电陶瓷圆环和金属浅球壳的理论模型,用等效电路法从理论上计算出了该换能器的共振频率并与仿真结果做了对比,发现二者近似吻合,验证了理论计算的可靠性,为这种钹型换能器的优化设计提供了理论指导。然后利用COMSOL Multiphysics分别模拟了压电陶瓷为圆盘和圆环的钹型换能器的共振频率,仿真结果表明：同等条件下,当圆环的外径和圆盘的半径相等时,压电陶瓷为圆环的钹型换能器共振频率更低,使其具有频率低、体积小的特点更加明显。利用数值方法,分析了钹型换能器的几何尺寸对其共振频率、反共振频率及有效机电耦合系数的影响。最后模拟了钹型换能器在水中的机电特性及声压分布。