Coaxial Relativistic Backward Wave Oscillator and Coaxial Master Oscillator-Power Amplifier

A two and one half dimensional particle-in-cell code MAGIC has been used to investigate the nonlinear beam-wave interaction in a coaxial relativistic backward wave oscillator(RBWO) and optimize the dependence of the output power on electron beam nature parameter, slow wave structure geometry and magnetic guide field. The optimum conditions for the coaxial RBWO were obtained. The simulation results show: the coaxial RBWO can generate 3.2GW peak output power at 10.2GHz in the TM₀₂ made when an annular electron beam of 20KA is accelerated across a diode potential of 600KV and guided through a section of uniform coaxial corrugated waveguide by an axial magnetic field of 25KG, the peak efficiency is about 27% . A novel coaxial master oscillator–power amplifier was presented in this paper.     

提高相对论返波管超辐射峰值功率的新途径

 基于相对论返波管束波互作用的非线性自洽方程组,针对超辐射机制相对论返波管计算模型,编制程序数值研究了二极管电压、电流、耦合阻抗等参数对输出超辐射的影响,提出了提高相对论返波管超辐射峰值功率的新途径。通过全电磁粒子模拟程序验证了所得结论：超辐射机制下,通过电子束脉冲内线性调制二极管电压和电流,以及采用非均匀耦合阻抗的混合优化方式,可以增加束波共振范围和改善束波换能效率,达到进一步提高相对论返波管超辐射峰值功率的目的。     

X波段短脉冲相对论返波管设计与初步实验

 对基于短电子束脉冲超辐射机理的X波段相对论返波管进行了优化设计和粒子模拟,结果表明：在超辐射机理作用下,该器件能实现高峰值功率和高功率转换效率的微波辐射。在小型Tesla脉冲源基础上设计了阻抗变换段、二极管、磁场系统等装置,建立了一套小型窄脉冲电子加速器,以此为实验平台在低磁场条件下进行了器件的初步实验研究。在磁场0.73 T、束压约380 kV、束流约4.5 kA、脉宽3.1 ns条件下,实验获得的微波脉冲峰值功率约360 MW,脉宽1.10 ns,上升沿800 ps,频率9.15 GHz,功率转换效率为21%。     

低磁场S波段相对论返波振荡器的工作特性

为了实现高功率微波发生器的小型化,开展了S波段低磁场相对论返波振荡器工作特性的研究工作。由于S波段返波振荡器频率低,对应的电子回旋共振磁场强度也很低,因此低磁场条件下面临着电子束传输效率低和束波互作用效率低两大问题。为解决上述问题,采取下列措施:通过加大电子束与器件内壁的距离,提高电子束传输效率;采用较深的慢波结构作为提取腔,实现高束波互作用阻抗;提取腔前采用浅深度慢波结构,使提取腔区域的电子速度与微波相速同步。粒子模拟证明,以上措施有效,在引导磁场强度仅为0.17 T、电子束电压435 kV、电流6.5 kA的条件下,该返波管获得功率为670 MW、效率约为25%的输出微波。相对于常规S波段相对论返波振荡器的磁场系统(B=0.8 T),适用于该返波管的0.17 T低强度磁场系统螺线管外半径下降了20%,能耗下降了约93.8%。     

耦合阻抗单阶跃变型相对论返波管的研究

 建立了非均匀耦合阻抗相对论返波管的非线性理论,模型中计及了慢波结构两端口对电磁波的反射效应,正向波基波与注电子的非同步互作用效应。应用全电磁粒子模拟程序对器件中注波互作用过程及性能进行了数值模拟和优化,报道了X波段耦合阻抗单阶跃变型相对论返波管实验结果。     

L波段相对论返波振荡器初步实验研究

设计了一个紧凑型L波段相对论返波振荡器(RBWO),利用Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束-波作用的物理过程。模拟结果表明:在二极管电压700 kV、电子束流10 kA、导引磁场为1.0 T时,能实现L波段2.23 GW高功率微波输出,平均效率约为31.8%。为验证模拟结果,在高阻加速器平台上进行了初步实验:当二极管电压为703 kV、电流10.6 kA、导引磁场为0.8 T时,实验获得了峰值功率1.05 GW、频率1.61 GHz、脉宽38 ns的高功率微波输出,其功率效率为14.4%。     

等离子体对相对论返波管工作影响的粒子模拟

金属高频结构的射频击穿是引起功率下降和脉冲缩短的重要原因,是限制高功率微波(HPM)向更高功率、更长脉冲发展的重要因素。射频击穿的物理过程极其复杂,并且开展射频击穿研究对实验条件等要求高,因此粒子模拟是研究射频击穿的重要手段。通过在慢波结构表面设置爆炸发射电子和离子的方式模拟等离子体对一个X波段的相对论返波振荡器(RBWO)和一个Ka波段的RBWO工作的影响。粒子模拟结果表明,对于分段式慢波结构,后段慢波结构产生等离子体会对电子束的调制造成影响,进而影响器件正常工作,引起微波功率下降。当等离子体由质量较轻的正离子和电子组成时,会对束波作用造成更大的影响,引起较大的输出功率下降。相同密度的射频击穿等离子体对Ka波段RBWO工作的影响大于对X波段RBWO的影响。     

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。     

带有反射腔的相对论返波管的数值模拟

 阐述了带有反射腔的相对论返波管的数值模拟研究。利用线性理论[1]设计了返波管的慢波结构，应用SUPERFISH软件设计了谐振反射器。用KARAT软件对谐振反射腔返波管进行了宏观粒子模拟，得到了优化的返波管结构参数，并研究了外加磁场对输出效率的影响。模拟结果表明：谐振反射腔不仅起到截止颈的作用，还有预调制的作用；在低外加磁场条件下，该返波管也能输出较高功率的微波。显示了其在重复频率工作方面的重要意义。     

X波段内同轴膜片加载相对论返波振荡器的特性研究

 把同轴膜片作为相对论返波振荡器的慢波结构，从Maxwell方程组和Floquet定理出发，导出了电磁波在同轴膜片加载相对论返波振荡器中的色散关系。通过编程计算得出TM_0n模式的色散曲线，数值分析了周期长度和导体半径对器件工作频率的影响，运用PIC程序模拟了返波振荡器中注波互作用过程。讨论了纵向聚焦磁场、电子注到慢波结构的距离、槽深和槽宽对输出功率和效率的影响。研究表明：增加器件的周期长度，可以减小器件的截止频率和同一模式下的工作频率； 调节内导体半径的大小，几乎不影响器件的工作频率。周期长度取11 mm，槽深取2 mm，槽宽取3.6 mm，漂移长度取7.5 mm的结构，在520 kV电压、8 kA电流和0.7 T的轴向聚焦磁场条件下，器件能输出2.8 GW的峰值功率,功率效率约33.2%。该慢波结构加工方便，具有广阔的应用前景。     

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。     

单电子束双波段同轴相对论返波管粒子模拟

设计了一种能在C波段和X波段实现稳定双频输出的带有非对称谐振反射腔的单电子束同轴相对论返波振荡器。采用耦合阻抗跃变型慢波结构,使用粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示:轴向电场在系统中的分布得到改进,电子束的能散得到改善。在电子束电压511 kV,电流8.95 kA,引导磁场0.73 T的条件下,双频器件实现了8.09 GHz和9.91 GHz的双波段频率稳定输出,平均功率为1.0 GW,波束互作用效率为21.9%, 效率高于空心双波段返波管及其他双波段器件。器件辐射功率的拍频为1.82 GHz,拍波更为明显和稳定。模拟研究中同时发现, 随着慢波结构之间漂移段的变化,双频频率都呈现一种准周期的变化。     

X波段10 GW高功率返波管振荡器设计

设计了一个高效率的高功率返波管振荡器,通过添加内导体并采用过模慢波结构,实现器件的高效率、高功率运行. 当电子能量和束流分别为1.3 MeV和17 kA时,采用2.5维Particle in Cell (PIC)程序模拟得到频率为8.8 GHz,功率为10.4 GW的微波输出. 关键词： 内导体 相对论返波管 过模慢波结构     

带有反射腔的双频相对论返波管的粒子模拟

 设计了一种带有反射腔的能在X波段实现稳定双频输出的圆柱结构相对论返波管,采用2.5维相对论全电磁PIC粒子模拟软件行粒子模拟研究。仿真结果表明:在输入电压433 kV、引导磁场2.2 T的条件下,实现了9.53,10.09 GHz的双频稳定输出,平均输出功率340 MW,平均功率效率24.1%。     

相对论返波管超辐射产生与辐射的数值模拟研究

本文研究了相对论返波管产生X波段超辐射问题,产生中心频率为9.25 GHz的电磁脉冲,并在相对论返波管的输出端直接接入VLASOV辐射天线.提出将粒子模拟软件UNIPIC与自行研制的天线辐射模块相结合,实现超辐射现象微波的产生以及辐射的全过程模拟,并研究了输出功率随注入波脉冲以及填充稀有气体气压的变化.模拟结果表明,器件的峰值功率可以达到3.68 GW,瞬时效率超过100%,VLASOV天线在斜切角为20?时,天线的增益达到15.5 dB,在1 km处的功率密度可达到0.728 W/cm2.     

相对论返波管振荡器齿状阴极

研究了一种齿状阴极的电子束产生传输过程以及对相对论返波管振荡器产生高功率微波的影响。基于SINUS881加速器,利用束流轰击金属靶观测齿状阴极产生电子束在不同轴向位置上的角向分布,并开展了基于环形阴极和齿状阴极的X波段相对论返波管振荡器的实验研究。对不同齿数及尺寸对电子束流特性、器件输出微波功率和脉冲宽度的影响进行了分析。实验结果表明:当阴极的齿数增加到一定数量时,电子束的横向运动使得电子束在径向逐渐趋于分布均匀;与均匀环形阴极的打靶结果近似,此时,电子束对于相对论返波管振荡器产生微波的功率和脉宽影响不大。     

充填不同气体相对论返波管特性的PIC-MCC模拟

讨论了PIC-MCC方法的基本原理以及在UNIPIC软件中的编程实现,并用该软件模拟了充填不同种类气体在不同气压下相对论返波管的气体电离过程,讨论了所产生的等离子体对电子束的传输以及波束相互作用的影响.给出了返波管输出功率、频率和起振时间随气体种类和气压等参数的变化情况.模拟结果表明,电离产生的阳离子是返波管性能改善的原因,而腔内滞留的低能电子是破坏返波管振荡而引起脉宽缩短的重要因素. 关键词： 蒙特卡罗碰撞 粒子模拟 高功率微波 相对论返波管     

充中性气体相对论返波振荡器的粒子模拟研究

 用PIC粒子模拟方法研究了充中性气体相对论返波管的物理机制，成功模拟了电子束碰撞充入返波管中的中性气体电离产生等离子体的过程，在电子束传输的路径上形成离子通道，有效中和电子束径向空间电荷力，有利于电子束的传输及束波相互作用产生微波。增加中性气体密度，返波管的输出频率明显上移，其辐射的功率和效率比相同的真空器件也有明显的提高。     

S波段长脉冲相对论返波振荡器实验研究

从物理机制上定性地分析了导致脉冲缩短的主要原因,给出了长脉冲重复频率运行下的相对论返波振荡器(RBWO)设计原则。结合传统谐振式返波振荡器的基本设计理论,设计和模拟优化了工作在S波段的长脉冲RBWO,并利用本实验室现有长脉冲脉冲功率驱动源开展了S波段长脉冲RBWO的实验研究。实验结果表明:在单次运行条件下,微波输出功率达到约2 GW、脉宽约90 ns;在10 Hz重复频率运行条件下,输出微波功率达到约1 GW、脉宽约100 ns。器件产生的微波频率为3.6 GHz,输出模式为TM01模,效率约20%。对实验结果分析表明,器件截止颈和第一个慢波结构结合处的爆炸发射是导致脉冲缩短的主要原因之一。     

全固态脉冲功率源驱动Ka波段相对论返波管振荡器

利用基于SOS的固态脉冲功率源进行了Ka波段相对论返波管振荡器(RBWO)的实验研究。该固态脉冲功率源工作电压200~360 kV,工作电流约2.6 kA,脉宽约20 ns,脉冲上升前沿约9 ns。SOS固态脉冲功率源驱动Ka波段BWO的实验结果为:微波频率36~38 GHz,脉宽约10 ns,峰值功率约50 MW,重复频率10 Hz。