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%。     

Ka波段同轴多注相对论速调管的电子束引入

首先通过理论分析确定影响多注电子束引入效率的主要因素,确定初步的结构参数;其次利用三维粒子模拟软件建立Ka波段相对论多注二极管模型进行仿真优化,使电子束引入效率达到89%;并开展了电子束的产生与传输实验研究,验证了粒子模拟仿真结果。在电子束电压502 kV、束流4.34 kA、轴向磁感应强度0.76 T的条件下,电子束引入效率达到了72%,由电子束轰击尼龙靶材获得的电子束束斑图表明,电子束在产生与传输过程中形状未发生畸变,产生的电子束直径约为2 mm。模拟和实验研究验证了设计的强流多注二极管可以产生高品质的电子束和实现高效率的电子束引入。     

无外加引导磁场相对论返波振荡器粒子模拟

设计了一种无外加引导磁场S波段相对论返波振荡器,采用阳极网提取电子,并设计了非均匀慢波结构。通过Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。典型模拟结果为:当二极管工作电压330 kV、电流2.83 kA时,器件在频率2.79 GHz处获得较高的微波输出,经27 ns后饱和,输出微波的功率达158 MW,效率约为16.8%。     

S波段相对论速调管放大器同轴输出腔的数值模拟

 介绍了S波段强流相对论速调管放大器（RKA）同轴输出腔内束波转换效率和腔主要参数的计算、微波提取的粒子模拟和优化以及实验。模拟计算时，采用单间隙的同轴输出腔，束压580 kV、束流4 kA的环行电子束，基波调制深度为80%，利用3维粒子程序得到约500 MW的微波输出功率，效率21.5%。将该模拟结果应用于实验的设计，实验中采用束压550 kV、束流4 kA的电子束得到功率500 MW、脉宽120 ns的输出微波，束波转换效率22.7%，实验结果与模拟结果吻合较好。     

G波段500 W带状注扩展互作用速调管设计研究

针对太赫兹频段实现高功率面临物理机制上的难题,设计了一个G波段带状注速调管,展示了基于非相对论带状电子注和扩展互作用技术所能达到的功率水平以及影响性能的物理因素。文中设计基于电压24.5 kV、电流0.6 A,1 mm×0.15 mm的椭圆电子注,以及与之相匹配的互作用系统,即横向过尺寸哑铃型多间隙谐振腔,可以实现高功率和高增益。三维PIC仿真结果显示,在考虑实际腔体损耗的情况下,能够获得超过500 W的功率,电子效率和增益分别达到3.65%和38.2 dB。研究发现,输出功率和效率的提升很大程度上受到多间隙腔模式稳定性以及电路欧姆损耗的制约;输出腔的欧姆损耗对输出功率影响尤为显著,工程设计需要特别考虑。本文的研究为高频段带状注扩展互作用器件的研发打下了良好的基础。     

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.     

Nonlinear theory of a plasma microwave oscillator using cable waves

The nonstationary problem of excitation of a plasma microwave oscillator of a finite length driven by a pulsed relativistic beam is analyzed. Both analytic and numerical techniques have been used in studying the oscillator dynamics at given beam parameters (configuration, electron energy, and current pulse), with different plasma configurations, and at various lengths of the system. Oscillator characteristics such as the output power, efficiency, and output spectrum have been determined at parameters close to real experimental values. Conditions of optimal oscillator operation have been determined. Zh. éksp. Teor. Fiz. 111, 1258–1273 (April 1997)     

94GHz基波复合腔回旋管数值模拟

通过对94 GHz基波复合腔回旋管中谐振腔结构、电子注参数以及注-波互作用过程的模拟计算研究,分析了复合腔回旋管的高频结构特性和工作参数优化问题.给出了基波H61 -H62模式对复合腔回旋管的模拟设计结果.数值模拟结果表明:在电子注电压40 kV、电流5A、电子横纵速度比1.3、工作磁场3.6T时,回旋管可获得78 k...     

单阳极磁控注入电子枪的设计

该单阳极磁控注入电子枪是为8mm永磁包装回旋振荡管设计的。首先利用绝热理论和角动量守恒理论进行了初始的电极参数设计,其次讨论和选取数值计算方法,然后利用自编的程序进行数值计算和优化,同时讨论了空间电荷的影响和速度零散的改善,最终得到最佳的电极和电子注参数。该电子枪已经应用于制管实验中。     

回旋速调管放大器注-波互作用分析

 给出了自洽非线性大信号理论分析方法,在理论分析和高频计算的基础上,建立了回旋速调管放大器注-波互作用计算模型,对其进行数值计算。研究多种参量对放大器输出功率、增益、效率等的影响,通过优化得到了中心频率34 GHz的四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟表明：在工作电压65 kV,注电流8 A,电子注横向与纵向速度比为1.5时,输出功率230 kW,带宽230 MHz,电子效率45%,饱和增益33 dB。     

高斯光束自由电子激光小信号增益分析

由增益的三维公式出发,对高斯光束时的小信号增益进行了分析。对电子束截面远大于光束截面情况给出了解析的增益渐近公式;对电子束截面远小于光束截面的情况。给出了解析的增益近似公式,结果与用计算机模拟所得相符。     

乌克兰强流加速器条带靶截面探测器研制

乌克兰哈尔科夫物理技术研究所(KIPT)在建的100 MeV电子直线加速器,束流功率高达100kW,给拦截式条带靶束流截面探测器的电极选材带来巨大的困难。通过ANSYS有限元分析程序对探头与束流的相互作用进行模拟,得到了探头材料在1.2kW束流功率条件下的真空温升和受力、变形结果;通过初步的束流实验,观测了T300碳纤维束在束流作用下的信号情况,最终锁定用T300碳纤维束作为电极材料。这是国际上首次采用碳纤维束作为靶面电极。     

毫米波回旋速调管磁控注入电子枪模拟计算

介绍了毫米波回旋速调管磁控注入电子枪的结构与特点。电子枪提供的电子束流性能直接影响到回旋速调管的总体参数,为保证整管的效率和输出功率,利用电子枪模拟程序对电子轨迹进行模拟计算,研究了电极形状、磁场分布以及电子轨迹与电子注参量的影响,并为磁控注入电子枪的设计提供了理论依据。     

Theory, Design, and Operation of Large-Orbit High-Harmonic Gyroklystron Amplifiers

The high-harmonic gyroklystron is a compact RF amplifier which relies on the synchronous interaction between large-orbit axis-encircling electrons and high-order azimuthal cylindrical cavity TEn11 modes. Because of this unique structure, it offers the promise of moderate- to high-millimeter-wave output power. Experimental results for a fifth-harmonic two-cavity device are compared to both small-signal analytic theory and large-signal numerical calculations which assess gain, bandwidth, sensitivity to longitudinal velocity spread, self-oscillation, and saturation characteristics. Principal theoretical results include the transition to infinite gain as the start-oscillation current threshold is reached as well as the demonstration of the insensitivity of the small-signal gain to parallel velocity spread. The required high-energy rotating electron beam is provided through gyroresonant RF acceleration. To date, over 20 dB of small-signal gain has been achieved at 11.3 GHz in a 1.3-kG magnetic field. The design of a four-cavity configuration is also presented along with simulation of its gain, bandwidth, amplitude modulation (AM) and phase modulation (PM) sensitivity, dependence upon guiding-center spread, and large-signal saturation characteristics. This device has been constructed and initial tests have yielded a gain of 30 dB. Gain in excess of 50 dB is predicted.     

强流电子束束心横向运动调谐技术研究

 介绍了为抑制“神龙一号”加速器束流束心螺旋运动而开展的强流电子束束心轨迹的调谐技术研究和实验结果。通过束质心轨迹校正调谐,使“神龙一号”输出束流脉冲50 ns平顶部分螺旋模的振幅由大于4 mm减小到小于1 mm。同时介绍了调谐原理和方法,相关的数值模拟结果与实验结果的比较以及正在进行中的计算机智能调谐研究。     

CRRFA-30L波段射频加速器

 主要介绍CRRFA-30L波段射频加速器结构和性能，论述了热阴极射频腔注入器、束流加速系统、微波功率源和控制等结构中主要技术及其研究进展，给出了加速器输出束流参数测量与测量结果分析，达到设计应用要求。     

X波段渡越管振荡器的粒子模拟和优化设计

 提出了一种新型的渡越管谐振腔结构，通过全电磁2.5维相对论粒子模拟程序证实电子束可以与这种谐振腔结构发生互作用；基于该谐振腔结构，用全电磁2.5维相对论粒子模拟程序设计优化了可工作在X波段的渡越管振荡器，其输出功率大约1.7GW，束波转换效率约37%。     

Generation of X-ray radiation during planar channeling of relativistic electrons in crystals

A classical model of the emission of radiation by relativistic electrons in a crystal has been developed using the form of the potential maximally close to its actual form. The dynamics of electrons with energies 20–25 MeV performing channeling in crystals is simulated numerically. The generation of electromagnetic radiation that accompanies this motion has been considered. It has been shown that, in the given electron energy range, this radiation corresponds to the X-ray spectral band with characteristic photon energies of up to 40 keV. The radiation yield is estimated. The requirements to the electron beam parameters are formulated based on the results of the simulation. It has been shown that numerical simulation gives results that correlate with the analytic results obtained earlier and with the experimental data.