介质加载矩形波导栅行波管的小信号增益计算

介质加载矩形波导栅行波管是一类新型毫米波大功率器件.给出了此结构引入电子束后的“热”色散方程,并利用“牛顿下山”法求解了此复杂系数超越方程,研究了介质加载以及电子束参数对小信号增益的影响.计算结果表明：介质加载可以扩大矩形波导栅行波管的带宽,而增益有所减小.为了弥补增益的降低,可以适当增加槽深度,也可在一定的范围内提高电子束电流.给出的结论对于研制此类行波管具有一定的指导意义. 关键词： 介质加载 矩形波导栅 小信号增益 “热”色散方程     

带状束高功率微波源宽通带收集极

设计了一种适用于带状电子束高功率微波源的宽通带收集极,在有效吸收束-波相互作用后的带状电子束的同时,保证了带状电子束高功率微波源的工作模式矩形波导TM11模式高效率地通过。研究结果表明：在13~27 GHz范围内,功率传输效率大于95%,这一宽通带特性使得该类型的收集极与带状电子束高功率微波源能够更好配合,显著提高了微波源的模拟优化和实验调试效率;TM11模式微波的传输效率对收集极厚度和长度等参数不敏感;该类型收集极结构具有良好的散热能力,在不加外部水冷装置的条件下,仅靠空气自然对流冷却和辐射冷却,可以承受电流3 kA、电压300 kV、脉冲宽度30 ns及重复频率50 Hz带状电子束的连续冲击。     

带状注速调管注波互作用及其计算程序的研究

针对带状注速调管中采用非轴对称性大宽高比带状电子注的特点,建立了2.5维窄带宏粒子模型,编写了注波互作用模拟分析程序.以一支百兆瓦级带状注速调管模拟设计为例,对程序的计算能力和效果进行了检验,结果与三维PIC软件有较好的可比性,且计算效率有很大幅度提升,适用于带状注速调管注波互作用系统的初步设计和参数优化过程. 关键词： 速调管 带状注 窄带宏粒子模型 注波互作用     

带状电子束的空间电荷场

利用理论分析和数值计算的方法研究了矩形波导内均匀电流密度的带状电子束模型的空间电荷场,给出了该带状电子束模型的空间电荷场的解析表达式,并研究了空间电荷场随带状电子束的几何参数和物理参数的变化规律。研究表明：在不改变电流密度的前提下,更宽的电子束可以传输更强的束流,而空间电荷场并不随束宽度的增大而增大,但是增加电子束厚度会使空间电荷场显著增强,从而不利于高流强电子束的传输;对于相同电流的带状电子束,保持电子束厚度不变,增大电子束宽度,相应地降低电流密度是降低空间电荷场的一个很好的途径,而保持电子束的宽度不变,增大束厚度,相应地降低电流密度只会使沿着电子束截面宽度方向的电场减小,而沿着电子束截面厚度方向的电场基本不变;对于相同电流和电流密度的带状电子束,更宽、更薄的电子束横截面尺寸能使沿着电子束截面宽度方向的电场降到更低,而沿着电子束截面厚度方向的电场只是略有减小。     

椭圆带状电子束聚焦方式

分析了椭圆带状电子束空间电荷场分布,采用3维粒子模拟软件观察椭圆带状电子束的传输不稳定性。分别对采用周期凸起磁场结构和偏置周期凸起磁场结构聚焦椭圆电子束进行理论分析,并利用粒子模拟软件对聚焦效果进行仿真。通过对比研究发现：偏置型周期凸起磁场结构更适合用于抑制椭圆截面带状电子束的传输不稳定性。     

椭圆带状电子束聚焦方式

分析了椭圆带状电子束空间电荷场分布,采用3维粒子模拟软件观察椭圆带状电子束的传输不稳定性。分别对采用周期凸起磁场结构和偏置周期凸起磁场结构聚焦椭圆电子束进行理论分析,并利用粒子模拟软件对聚焦效果进行仿真。通过对比研究发现:偏置型周期凸起磁场结构更适合用于抑制椭圆截面带状电子束的传输不稳定性。     

Wiggler磁场聚焦带状电子注

 带状电子注在螺线管磁场作用下传输时,易形成Diocotron不稳定性,导致电子注崩溃。采用Wiggler磁场聚焦带状电子注能防止Diocotron不稳定性。研究了Wiggler磁场聚焦带状注的作用机理,得出带状电子注在Wiggler场作用下的包络方程。结合理论分析,使用3维粒子模拟程序对带状电子注的Diocotron不稳定性和Wiggler磁场抑制不稳定性分别进行了模拟。研究表明:合适的选择磁场大小和周期能有效抑制Diocotron不稳定性,使得设计带状电子注行波管成为可能。     

带状电子束的空间电荷场

 利用理论分析和数值计算的方法研究了矩形波导内均匀电流密度的带状电子束模型的空间电荷场,给出了该带状电子束模型的空间电荷场的解析表达式,并研究了空间电荷场随带状电子束的几何参数和物理参数的变化规律。研究表明：在不改变电流密度的前提下,更宽的电子束可以传输更强的束流,而空间电荷场并不随束宽度的增大而增大,但是增加电子束厚度会使空间电荷场显著增强,从而不利于高流强电子束的传输;对于相同电流的带状电子束,保持电子束厚度不变,增大电子束宽度,相应地降低电流密度是降低空间电荷场的一个很好的途径,而保持电子束的宽度不变,增大束厚度,相应地降低电流密度只会使沿着电子束截面宽度方向的电场减小,而沿着电子束截面厚度方向的电场基本不变;对于相同电流和电流密度的带状电子束,更宽、更薄的电子束横截面尺寸能使沿着电子束截面宽度方向的电场降到更低,而沿着电子束截面厚度方向的电场只是略有减小。     

轴对称静电场的束流光学模拟与设计

为了对高压倍加器和静电加速器等低能加速器中一些具有特殊结构的轴对称静电元件进行模拟和设计,采用传输矩阵法编写了直流束的束流光学计算程序,并利用该程序对高频离子源预聚焦系统和移动式加速器中子源的束流光学系统进行了模拟和设计。程序将整个轴对称静电场区域看作厚透镜,并均分成若干个小区间,先利用其他电磁场软件计算区域内的轴上电势分布,然后根据该电势分布计算每个小区间内的束流传输情况得到束流的包络曲线。该程序可以用于计算非线性效应可忽略的复杂轴对称静电场中强流和弱流束的传输,且所需计算时间很短。     

A high-power millimeter-wave sheet beam free-electron laseramplifier

The results of experiments with a short period (9.6 mm) wiggler sheet electron beam (1.0 mm×2.0 cm) millimeter-wave free electron laser (FEL) amplifier are presented. This FEL amplifier utilized a strong wiggler field for sheet beam confinement in the narrow beam dimension and an offset-pole side-focusing technique for the wide dimension beam confinement. The beam analysis herein includes finite emittance and space-charge effects. High-current beam propagation was achieved as a result of extensive analytical studies and experimental optimization. A design optimization resulted in a low sensitivity to structure errors and beam velocity spread, as well as a low required beam energy. A maximum gain of 24 dB was achieved with a 1-kW injected signal power at 86 GHz, a 450-kV beam voltage, 17-A beam current, 3.8-kG wiggler magnetic field, and a 74-period wiggler length. The maximum gain with a one-watt injected millimeter-wave power was observed to be over 30 dB. The lower gain at higher injection power level indicates that the device has approached saturation. The device was studied over a broad range or experimental parameters. The experimental results have a good agreement with expectations from a one-dimensional simulation code. The successful operation of this device has proven the feasibility of the original concept and demonstrated the advantages of the sheet beam FEL amplifier. The results of the studies will provide guidelines for the future development of sheet beam FELs and/or other kinds of sheet beam devices     

Magnetic field computation in a non-oriented sheet cross-section considering the hysteresis phenomenon

The aim of the present work is the numerical computation of the average magnetic induction in the cross-section of a non-oriented 3% Si-Fe sheet by solving the magnetic diffusion equation. Jiles’ dynamic model is used to describe the magnetization law. The obtained results are compared with those of the measurements carried out for frequencies of 0.5, 50, 200 and 500 Hz. A satisfactory agreement is obtained between both types of results.     

Nonlinear stabilization of beam instability

If a high-frequency field affects the dielectric properties of the plasma, it can be shown that this results in a dependence of the frequency of natural plasma oscillations on the field amplitude. So, the beam and the excited waves get out of resonance, the instability weakens and sometimes may totally vanish.     

Ka波段带状注相对论速调管模拟研究

利用三维电磁场与粒子模拟软件对Ka波段带状注相对论速调管放大器进行了分析设计和模拟计算。通过对谐振腔本征模的计算确定了腔体的冷腔高频特性,采用三维粒子模拟软件(PIC)模拟分析速调管各腔及整管的束波互作用过程。模拟结果表明：在带状电子注电压500 kV、束流1 kA、宽高比40∶1,注入微波功率1.94 kW和均匀聚焦磁场0.8 T的条件下,获得的输出微波功率达到142 MW,频率40 GHz,效率28.4%,增益约48.6 dB。     

On nonlinear dynamics of a sheet electron beam

The nonstationary model is considered allowed to describe the sheet electron beam dynamics with nonuniform current density profile in collisionless approximation. The kinetic distribution function is used dependent on the particle motion integral, so the distribution function automatically satisfies to Vlasov equation. The results of numerical and analytical calculations are discussed.     

Ka波段带状注相对论速调管模拟研究

利用三维电磁场与粒子模拟软件对Ka波段带状注相对论速调管放大器进行了分析设计和模拟计算。通过对谐振腔本征模的计算确定了腔体的冷腔高频特性,采用三维粒子模拟软件(PIC)模拟分析速调管各腔及整管的束波互作用过程。模拟结果表明:在带状电子注电压500kV、束流1kA、宽高比40∶1,注入微波功率1.94kW和均匀聚焦磁场0.8T的条件下,获得的输出微波功率达到142MW,频率40GHz,效率28.4%,增益约48.6dB。     

带状注速调管高频结构的初步研究

 利用3维软件设计并模拟了适用于X波段高功率带状注速调管的“Ⅱ”形谐振腔,根据模拟结果分析了腔体各尺寸对电场均匀性的影响;建立了平面对称结构的3维高频互作用系统模拟平台,应用此平台讨论了扼流器法和漂移管窄壁开槽法这两种抑制漂移管中非工作模式的方法;分析了漂移管的尺寸及漂移头对谐振腔内场分布的影响。研究表明：波导高度、耦合腔宽度和高度对带状注速调管谐振腔间隙的电场均匀性影响较大;而波导长度和宽度、耦合腔长度对该电场均匀性影响不大;腔体连接处加上漂移头可使场分布更加集中;该型带状注速调管谐振腔能够产生均匀的电场,为提高注波互作用效率奠定了基础。     

W波段带状注扩展互作用振荡器的粒子模拟

设计了一种工作在W波段的振荡器。采用宽高比值为2的薄矩形电子注降低空间电荷效应,周期耦合腔慢波线作为高频结构以增加功率容量,阶梯渐变矩形波导作为输出结构,使输出结构与高频结构匹配连接减少反射。利用三维PIC粒子模拟程序进行数值模拟,分析慢波结构的周期数及周期长度对输出功率、频率及效率的影响。结果表明：当阴极电压为13.0~16.1 kV时,谐振腔能正常工作;谐振腔周期数为9,阴极电压为15.7 kV时输出功率和转换效率最大,输出峰值功率大于1.9 kW,平均功率为980 W,频率为91.6 GHz,转换效率达25%,输出频率随谐振腔周期长度的减小而增大。     

Wiggler聚焦带状注速调管束管的研制

对Wiggler聚焦带状注速调管电子注截面、聚焦磁场和直流通过率进行了测试,分析了Wiggler聚焦的特点,获得了提高Wiggler聚焦带状注束管直流通过率的调试方法。测试结果表明：同一组磁钢摆放方式不同,电子注的通过率会相差很大;聚焦磁场和电子注匹配不好时,会出现通过率为零的情况。不同周期的直流测试结果表明9 mm周期最佳,在磁场均匀性较差、电压较低的情况下都能获得良好的直流通过率。     

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。