波纹内导体返波振荡器的热腔特性

 导出了波纹内导体同轴慢波结构热腔色散方程，研究了周期波纹深度、电子注平均半径、电子注电流及加速电压对波纹内导体慢波结构的高频场时间增长率的影响。结果表明：慢波结构周期减小、波纹深度加深、电子注平均半径减小、电子注电流增大、加速电压增大均会使高频场时间增长率增大。建立了粒子模型并应用PIC粒子模拟软件进行仿真，对各影响参数进行优化，结果表明：当加速电压为0.5 MV、电子束电流85 kA、波纹周期长度4.4 cm、波纹幅度为0.23 cm、内轴平均半径为2.9 mm和外壁内径为4.4 cm时，可获得10 GHz，1.1 GW效率约25%的单频微波输出。     

同轴结构多频相对论返波管的粒子模拟

 提出由双电子注同轴相对论返波管产生双频的设想,采用2.5维相对论全电磁PIC粒子模拟软件,进行了粒子模拟研究。结果表明,在环形相对论电子注电压625 kV,电流24 kA,引导磁场0.772 T的条件下,器件得到了稳定的高功率双频微波输出。其双频微波频率分别为11.5,12.2 GHz,两频率相差0.7 GHz,平均功率约为1.15 GW,平均功率效率7.7%。另外,还通过改变周期数,进一步获得了三频的微波输出,并对结果进行了讨论。     

Ka波段TM02模式低磁场相对论返波管初步实验研究

对Ka波段TM₀₂模式低磁场相对论返波管的结构特点、工作原理进行了介绍,详细分析了该器件以TM₀₂模工作的模式选择机制。通过粒子模拟,该器件在1 T引导磁场下获得了功率为493 MW、频率29.3 GHz的微波输出,工作模式及频率与理论设计相一致。随后,基于模拟中的结构参数开展了初步的实验研究,当二极管电压为580 kV、电流为3.56 kA、引导磁场1 T时,获得了功率286 MW、频率29.3 GHz、脉宽约10 ns的微波输出。实验获得的微波频率与数值模拟一致,但是微波功率与数值模拟结果有明显差异,并且微波脉冲后沿有明显的缩短,分析认为在低磁场下后端谐振腔链受到电子轰击是导致该问题的主要原因。     

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。     

高效率超辐射相对论返波管

对新型同轴单程超辐射相对论返波管振荡器进行了进一步的研究。该振荡器的互作用区为同轴结构,外导体为一波纹波导,内导体为一光滑圆波导;辐射场从左端耦合到圆波导后输出,不需要截止颈。通过增加波纹周期数并调整互作用区末端波纹深度,器件的功率转换效率得到进一步的提高。当电子束电压为360 kV,电流为9.15 kA,外加磁场强度为2.7 T时,通过参数优化,模拟获得了瞬时峰值功率超过18 GW、脉冲宽度约400 ps,中心频率为8.1 GHz的微波输出,平均功率转换效率达到了275%。     

边加载径向三腔渡越时间振荡器设计

 提出了一种边加载结构的径向三腔渡越时间振荡器。通过1维单粒子理论研究了直流渡越角和电压调制系数对束-波互作用效率的影响,并进行了2.5维数值模拟验证。数值模拟研究表明:该器件具有低阻抗、高效率、输出微波频率单一稳定等特点。在400 kV,60 kA无外加引导磁场的条件下,获得了平均功率为8 GW,频率为3.9 GHz的微波输出,效率达33.3%,阻抗仅为6.7 Ω。     

L波段相对论速调管的3维粒子模拟

采用高频场软件对输入腔、中间腔和输出腔的高频特性进行冷腔分析。利用3维粒子模拟软件对L波段强流相对论速调管进行整体建模,模拟分析了整管工作情况,并讨论了3维模型中输入、输出耦合结构的引入对结果的影响。模拟参数为:电子束电压500 kV,电流5 kA,微波频率1.3 GHz,输出平均功率600MW,效率约25%。     

低频段紧凑型同轴相对论返波振荡器

基于P波段新型三周期慢波结构同轴相对论返波振荡器设计思想,设计了一个L波段同轴相对论返波振荡器。粒子模拟表明,在二极管电压591 kV、电流8.2 kA、导引磁场0.8 T时,获得了1.50 GW的微波输出,频率为1.64 GHz,效率达31%,器件慢波结构尺寸仅为f96 mm207 mm。分析了该器件实际高频结构的电动力学特性,重点研究了纵向谐振模式、品质因数等特点,并结合P波段的研究结果,得到了该类器件的相关设计指标:慢波结构长度约为一个波长,波纹周期约5/13波长,外波纹深度约1/10波长,内波纹深度约1/30波长,电子束半径约0.7倍外波纹平均半径,器件的纵向工作模式为0.8模,对应的Q值约16。     

S波段分离腔振荡器的数值模拟与设计

通过粒子模拟的方法设计了分离腔振荡器(SCO),并建立了基于爆炸发射的阴极模型,对带有真实二极管结构的SCO进行了整体的粒子模拟研究。典型的数值模拟结果为:在二极管电压为495 kV,电流为3.93 kA时,输出高功率微波的功率为640 MW,微波频率为2.85 GHz,功率效率为33.0%。同时,还研究了二极管输入电压幅度及波形、阴-阳极间距、阴极半径等参数对SCO输出高功率微波特性的影响,初步研究结果表明:除了栅网的通过率,SCO对二极管阻抗、阴极半径等参数也比较敏感,对应一定的二极管阻抗,需有一个最佳的电压值与之匹配;三角波电压波形会明显降低SCO的功率效率。     

X波段新型低阻抗高功率微波源的模拟研究

提出了一种新型低阻抗高功率微波源,能在单个器件内产生两束锁相的相干高功率微波,对两束相干微波进行功率合成有望在单个高功率微波器件中实现更高的功率输出.粒子模拟结果显示,在电压687 k V、磁场0.8 T时,该微波源整体阻抗36?,两束微波的频率都为9.72 GHz,输出功率分别为1.20 GW和2.58 GW,功率效率分别为28%和30%;两束输出微波之间频率抖动小于±3 MHz,相位差抖动小于±3?.     

强流相对论电子束双腔纵向自调制研究

当强流相对论电子束在类双腔速调管系统中传输时，会发生自调制现象. 利用这一现象可以 在无微波注入的情况下得到较好的微波输出，这是一种由强流相对论效应引起的自激振荡. 利用这一原理有可能研制出一类新型的微波器件. 对强流相对论电子束在这种物理机制作用 下发生起振的条件及传输机理进行了理论分析，并进行了数值模拟. 优化结果显示，利用4k A, 500kV的强流相对论电子束，可得到099GHz，800MW的微波输出，效率约40％. 关键词： 强流相对论电子束 自调制 反馈机制 数值模拟     

强流相对论环形电子束自调制振荡研究

 主要研究了强流相对论环形电子束在等位谐振腔内的非线性自调制振荡，用小信号理论分析了电子起振的条件，得出了电子起振的扰动频率。基于该理论分析，又提出了一种不外加磁场的新型高功率微波器件，该器件主要由一个圆柱谐振腔和一个同轴波导输出腔构成。用2.5维MAGIC粒子模拟软件对该非线性过程进行数值模拟，分析了输入电压、电流对输出微波功率的影响。模拟结果表明这种结构中确实存在非线性不稳定性，自调制的扰动频率则由电子束的初始能量、电荷密度和电子束的半径以及谐振腔的空间结构给定。利用谐振腔长为4.7 cm、二极管电压为2.8 MV、电流为20 kA的电子束，可以得到频率为4.29 GHz、功率为6 GW的微波输出，束-波转换效率约为11%。     

C波段三腔渡越时间振荡器的数值模拟

 用2.5维PIC程序对三腔渡越时间振荡器进行了数值模拟，给出了产生微波的详细物理图像。模拟表明：三腔渡越时间振荡器能调制强流电子束并输出微波，微波频率符合理论设计值。模拟得到了输出微波功率随栅网间距，随反向二极管轴向间距以及提取口径向间距变化的规律。输出微波功率与栅网间距的关系与线性理论基本相符。在电子束电压400kV，电流4kA的条件下，模拟得到的结果为微波峰值功率约600MW，频率5GHz，起振时间约3.5ns，峰值功率效率大于37%。     

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%。     

电子束收集极对大间隙速调管输出腔效率的影响

 利用高频电磁软件对带电子束收集极的S波段大间隙输出腔进行了高频特性分析,采用3维PIC程序模拟了电子束收集极对大间隙速调管输出效率的影响。研究结果表明：收集极的存在会改变输出腔的本征谐振频率和电子束路径上的特性阻抗等高频特性,但收集极可以短路间隙附近的径向电场,减小电子束的空间电荷压力,同时对群聚电子进行再加速,从而提高大间隙速调管的输出效率;在束电压700 kV,直流电流6 kA时,优化后的带收集极的大间隙输出腔可稳定提取大于1.68 GW的微波功率,提取效率约40.1%,比无收集极时提高约5%。     

同轴虚阴极谐振效应研究

中国工程物理研究院应用电子学研究所的一些实验表明由阳极反射板、阳极网和阴极发射的电子束形成的环状虚阴极围成的准谐振腔是决定同轴虚阴极输出微波功率和传输模式的关键所在. 在二极管电压350kV，电流23kA条件下，获得了500MW的微波输出功率，能量转换效率约6.2％，工作频率3.3GHz，输出微波主要由TM₀₁模式和TE₁₁模式组成. 对同轴虚阴极的谐振效应进行了分析. 关键词： 高功率微波 同轴虚阴极 谐振腔 模式竞争     

全腔输出半透明阴极相对论磁控管的结构改进和性能提升

对全腔输出半透明阴极相对论磁控管做了进一步的改进,并对其进行了物理分析和三维全电磁粒子模拟研究。通过半透明阴极结构的改进,即改变阴极角向方位和阴极发射面高度参差设计以及局部参数优化,使得在较宽的工作参数范围内,器件起振初期可能出现的模式竞争得到抑制,起振时间进一步缩短,同时输出效率得到较大提高。在注入电子束电压和电流分别约为518 kV和4.1 kA、外加磁场为0.575 T时,模拟在S波段获得了效率大于66%、功率约1.42 GW的微波输出。同时还给出了电子束电压和外加磁场等参数在一定范围内变化时对输出性能的影响规律。研究结果可应用于高效紧凑型相对论磁控管的实验研究。     

The Study of a Reflex Oscillator Used to Generate High-Power Microwaves

The operation of a high-power short-pulse microwave generator is being studied both experimentally and computationally. The device is a reflex triode which uses a real and a virtual cathode. The operating voltage is 500 kV with an electrical power input of 18 GW and a microwave output power of 200-300 MW at frequencies ranging from 6 to 9 GHz for up to 50 ns. Microwave power is extracted axially in an 85-mm-diameter waveguide with an overall efficiency of 1.5 percent. We will discuss the effects of electron beam quality on output efficiency. Temporal behavior of the output shows a frequency chirping with time which can be related to the voltage and current profiles. Comparing the microwave output at 900 shows azimuthal symmetry. Oscillator behavior when immersed in an external magnetic field, with field strength ranges from 0 to 1.2 kG, will be discussed. Also, computer simulations show that, although the virtual-cathode and reflexing-electron frequencies can be different, a frequency locking can occur, resulting in a purer frequency spectrum with a higher power. Simulations at 2 MeV show microwave output efficiencies of up to 4 percent with peak powers approaching 10 GW.     

Operational features and microwave characteristics of the VircatorII experiment

The Vircator II oscillating virtual-cathode microwave source operates with diode voltages between 600 and 800 kV and diode current between 50 and 120 kA. Maximal microwave output power between 200 and 500 MW is achieved when the diode aspect ratio, cathode surface, charge voltage, and extraction coupling are arranged to simultaneously (1) maximize diode voltage, (2) satisfy magnetic insulation criteria, (3) avoid nonuniform or unstable electron emission, and (4) optimize microwave transmission from the virtual cathode to the launching antenna. Broadband radiation between 0.4 and 5.5 GHz is generated. The central frequency follows the beam plasma frequency. It is tuned by varying the current density with anode-cathode gap adjustments