过模结构表面波振荡器模式选择

过模结构能提高器件的功率容量和工作频率, 能使器件工作在低磁场状态, 越来越多的器件采用过模结构.但是过模结构允许多个模式同时存在, 这可能会引起模式竞争问题.本文通过理论分析和数值计算, 研究了过模结构模式选择问题.计算结果表明, 通过选择合适的结构参数和电参数, 使得器件工作在行波状态, 可以实现不同横向模式的选择.在此基础上, 通过选择合适的电子束和结构参数, 能实现不同纵向模式的选择.对计算结果进行了粒子模拟验证, 与理论分析符合较好, 达到了模式选择的目的. 关键词： 过模结构 模式选择 色散关系 表面波振荡器     

慢波结构爆炸发射对高功率太赫兹表面波振荡器的影响

随着真空电子学器件的工作频率达到太赫兹波段, 表面波振荡器的横截面尺寸变小, 慢波结构的加工精度难以得到保证, 同时由于表面波振荡器的电磁场集中在慢波结构表面, 在高电压工作情况下, 太赫兹波段的表面波振荡器慢波结构爆炸发射电子会影响器件的工作特性. 本文分析了高电压工作情况下0.14 THz表面波振荡器慢波结构中电场的分布特性, 研究表明, 在慢波结构区域沿着轴线方向上存在电场幅度的包络分布, 在慢波结构中心位置处靠近慢波结构内半径处电场的幅度最大, 最易爆炸发射产生电子, 采用粒子模拟软件UNIPIC模拟了慢波结构处爆炸发射的电子对器件工作特性的影响, 同时考虑了电子回流所产生的二次电子倍增效应, 数值模拟结果表明, 慢波结构电子产生会导致器件的输出功率下降, 从数十兆瓦下降到兆瓦量级.     

0.34 THz大功率过模表面波振荡器研究

论文对0.34 THz大功率过模表面波振荡器进行了模拟设计和初步实验研究. 针对高过模比(D/λ ≈ 6.8)慢波结构, 根据小信号理论选择了合适的慢波结构尺寸和电子束距壁距离, 实现了器件在表面波TM₀₁模的π点附近谐振. 根据PIC模拟结果, 表面波振荡器可以实现频率和功率分别为0.34 THz和22.8 MW的太赫兹波输出. 采用微细电火花加工技术完成了不锈钢慢波结构的一体化精细加工, 并基于小型化脉冲功率驱动源搭建了实验装置. 初步的实验结果表明, 在电子束电压和电流分别约为420 kV和3.1 kA时, 0.34 THz大功率过模表面波振荡器输出脉冲的频率范围为0.319–0.349 THz, 辐射功率不小于250 kW, 脉宽约为2 ns. 最后分析讨论了实验输出功率与模拟结果相差较大的原因, 为表面波振荡器的性能改善奠定了基础.     

0.14 THz过模表面波振荡器初步实验研究

为获得大功率太赫兹源,对基于表面波振荡器的相对论太赫兹源进行了初步的实验研究。为便于机械加工和实验装配,器件采用过模矩形波导慢波结构。利用理论分析和数值模拟得到的参数,在CKP1000加速器上进行了实验。功率测量采用辐射场功率密度积分方法,频率测量采用截止波导滤波法。在电子束压为320 kV、电子束流强度为2.1 kA、引导磁场为5 T条件下,实验获得频率0.136 THz以上、脉冲宽度为1.5 ns和辐射功率约2 MW的太赫兹信号输出。     

0.14 THz过模表面波振荡器初步实验研究

为获得大功率太赫兹源,对基于表面波振荡器的相对论太赫兹源进行了初步的实验研究。为便于机械加工和实验装配,器件采用过模矩形波导慢波结构。利用理论分析和数值模拟得到的参数,在CKP1000加速器上进行了实验。功率测量采用辐射场功率密度积分方法,频率测量采用截止波导滤波法。在电子束压为320 kV、电子束流强度为2.1 kA、引导磁场为5 T条件下,实验获得频率0.136 THz以上、脉冲宽度为1.5 ns和辐射功率约2 MW的太赫兹信号输出。     

0.14THz过模表面波振荡器的模式分析

采用理论分析和实验验证相结合的方法, 研究了0.14 THz过模表面波振荡器(过模比D/λ≈3)中太赫兹波模式成分的分布. 首先针对具有圆周对称结构的过模切连科夫器件, 建立了用于模式分析的纵向场分解法. 接着基于2.5维PIC(Particle-in-cell)软件的电场模拟结果, 采用该方法对0.14 THz表面波振荡器的模式进行了详尽的理论分析. 结果表明, 器件中不同结构区域的太赫兹波模式成分不同, 相互间存在模式转换, 输出模式以TM₀₂和TM₀₃模为主, 并伴有少量TM₀₄模. 最后利用图像显示法获取了0.14 THz表面波振荡器的近场辐射能量分布, 与由模式分析结果得到的理论分布符合的较好, 证明了纵向场分解法用于模式分析的可行性和结果的正确性. 关键词： 过模 表面波振荡器 模式分析 场分解法     

渐变慢波结构的太赫兹过模表面波振荡器

模拟研究了一种在均匀慢波结构后增加渐变慢波结构段的太赫兹过模表面波振荡器, 获得了输出功率和模式纯度的显著提高。首先根据S参数方法, 研究分析了这种复合高频结构中TM01模的谐振特性。然后采用2.5维PIC（Particle-in-cell）软件UNIPIC, 模拟研究了振荡器输出性能随渐变慢波结构周期数的变化关系。结果表明：随着周期数的增加, 输出太赫兹波中的TM02和TM03等高次模成分降低, TM01模的功率比例增大至80%以上;选择合适长度的渐变慢波结构, 能使得器件输出功率增大50%。     

欧姆损耗对太赫兹频段同轴表面波振荡器的影响

为了研究欧姆损耗对太赫兹波段真空电子器件工作特性的影响, 本文推导了2.5维全电磁粒子模拟软件UNIPIC的表面阻抗边界条件, 并采用软件对不同金属材料慢波结构的同轴结构表面波振荡器进行了数值模拟研究, 分析了不同金属材料慢波结构器件的输出功率与电导率的关系, 模拟结果表明: 金属电导率对器件的输出功率有非常大的影响, 对于0.14 THz 同轴表面波振荡器, 铜材料和不锈钢材料慢波结构器件的输出功率分别下降13.4%和63.9%, 起振时间分别延迟0.4 ns 和15 ns.     

宽间隙反射器相对论返波管同频高阶模式抑制

实现输出模式控制和纯化是过模相对论返波管振荡器物理设计的关键。结合数值仿真和粒子模拟,对一种宽间隙反射器过模相对论返波管内的同频高阶模式激励及其抑制进行了研究,结果表明：模式转换和激励是同频高阶模式的直接来源,合理优化慢波结构、反射器和二极管参数,抑制由工作模式向高阶模式的转化效率,调整由二极管区反射回束波互作用区的模式相位,实现了过模相对论返波管的高效率工作和高模式纯度微波输出;所设计的宽间隙反射器过模相对论返波管输出微波功率中TM01模式的比例高于98%,功率转换效率约40%,工作频率为9.87 GHz。     

0.14 THz双环超材料慢波结构表面波振荡器数值研究

本文研究了一种太赫兹波段双环超材料慢波结构, 并具有同轴引出结构的相对论过模表面波振荡器. 设计了超材料同轴过模慢波结构; 通过色散特性, 进行了模式选择和过模结构电子束电参数和几何参数的设计; 根据超材料同轴慢波结构的特点, 设计了具有同轴引出结构的末端同轴输出段. 粒子模拟结果表明, 在电子束电压为600 kV和电流为1.0 kA, 引导磁场为2.0 T 时, 同轴超材料慢波结构过模表面波振荡器输出稳定单频的0.141 THz电磁波, 峰值功率为316.8 MW.     

A Ku-band magnetically insulated transmission line oscillator with overmoded slow-wave-structure

In order to enhance the power capacity, an improved Ku-band magnetically insulated transmission line oscillator(MILO) with overmoded slow-wave-structure(SWS) is proposed and investigated numerically and experimentally. The analysis of the dispersion relationship and the resonant curve of the cold test indicate that the device can operate at the near π mode of the TM01 mode, which is useful for mode selection and control. In the particle simulation, the improved Ku-band MILO generates a microwave with a power of 1.5 GW and a frequency of 12.3 GHz under an input voltage of480 k V and input current of 42 k A. Finally, experimental investigation of the improved Ku-band MILO is carried out. A high-power microwave(HPM) with an average power of 800 MW, a frequency of 12.35 GHz, and pulse width of 35 ns is generated under a diode voltage of 500 k V and beam current of 43 k A. The consistency between the experimental and simulated far-field radiation pattern confirms that the operating mode of the improved Ku-band MILO is well controlled inπ mode of the TM01 mode.     

百MW过模结构太赫兹源特性

采用粒子模拟方法对一种基于过模结构的表面波振荡器相对论太赫兹源进行了研究,模拟得到了频率为0.148 THz的电磁波输出,主要输出模式为TM01模式。该结构的特点是没有反射结构,电磁波会进入二极管区域。研究了电子束电压和二极管区域内电磁场对输出功率和频率的影响以及器件几何结构参数对输出功率的影响。计算结果表明,泄露到二极管区域的电磁波对器件工作状态影响很小,但是二极管参数对器件的输出功率影响很大。     

同轴引出电子束相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了一种L波段同轴引出电子束相对论返波振荡器,采用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,分析了二极管电压和导引磁场对产生微波频率和束-波转换效率的影响。模拟结果表明:该器件在小型化,中等磁场的条件下具有较高的束-波作用效率。在电子束能量700 keV,电子束流10 kA,导引磁场为1.0 T时,器件在频率1.62 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.2 GW,平均效率约为30%,器件最大径向半径仅为5.0 cm。     

650 GHz正弦波导返波管的模拟计算

提出了一种利用正弦波导慢波结构设计的太赫兹频段大功率返波管的新方案。3维粒子模拟研究结果显示:在20 kV的工作电压和5 mA的驱动电流下,该返波管在645.9 GHz频率处将具有1.55 W的峰值功率输出,互作用效率为1.55%,频谱纯净,输出模式为TE10模。通过在15～25 kV之间进行电压调谐,可获得80 GHz的调谐带宽,且峰值输出功率都在1 W以上。     

650 GHz正弦波导返波管的模拟计算

提出了一种利用正弦波导慢波结构设计的太赫兹频段大功率返波管的新方案。3维粒子模拟研究结果显示:在20 kV的工作电压和5 mA的驱动电流下,该返波管在645.9 GHz频率处将具有1.55 W的峰值功率输出,互作用效率为1.55%,频谱纯净,输出模式为TE10模。通过在15～25 kV之间进行电压调谐,可获得80 GHz的调谐带宽,且峰值输出功率都在1 W以上。     

正交场返波管太赫兹源慢波系统

为解决正交场返波管太赫兹源慢波结构的设计问题,研究了开放式单排矩形梳齿慢波结构的色散及耦合阻抗特性并给出了设计思路及结果。利用单模近似法和数值计算得到了各几何参数对慢波结构性能的影响。结果表明:慢波周期长度可相对独立地优化耦合阻抗;设计慢波结构时可根据工作频率、加工工艺和电子枪性能确定其余三个几何参数,主要是对慢波周期长度进行调节。进一步的数值计算给出了梳齿间距在0.010~0.025 mm范围内、工作频率在300~420 GHz范围内的开放式矩形梳齿慢波结构的具体尺寸。利用粒子模拟软件对一个设计结果进行了仿真,得到的工作频率验证了冷腔分析的结果。     

等离子体填充0.14 THz相对论返波管模拟

模拟了0.14 THz相对论返波管中电子束与氩气相互作用产生等离子体的过程, 研究了在不同气压条件下, 等离子体对相对论返波管的输出功率、频率以及起振时间的影响. 模拟结果表明, 等离子体背景能引起太赫兹波段真空电子器件脉冲缩短, 并出现新的频率分量; 适当地注入等离子体能减少0.14 THz相对论返波管的起振时间, 提高器件的输出功率. 关键词： 太赫兹 相对论返波管 粒子模拟 等离子体     

正交场返波管太赫兹源慢波系统

为解决正交场返波管太赫兹源慢波结构的设计问题,研究了开放式单排矩形梳齿慢波结构的色散及耦合阻抗特性并给出了设计思路及结果。利用单模近似法和数值计算得到了各几何参数对慢波结构性能的影响。结果表明：慢波周期长度可相对独立地优化耦合阻抗;设计慢波结构时可根据工作频率、加工工艺和电子枪性能确定其余三个几何参数,主要是对慢波周期长度进行调节。进一步的数值计算给出了梳齿间距在0.010~0.025 mm 范围内、工作频率在300~420 GHz 范围内的开放式矩形梳齿慢波结构的具体尺寸。利用粒子模拟软件对一个设计结果进行了仿真,得到的工作频率验证了冷腔分析的结果。     

紧凑型P波段相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了一种紧凑型P波段相对论返波振荡器,其电动力学结构是由同轴慢波结构和同轴引出结构组成的。同轴慢波结构缩小了器件的径向尺寸;同轴引出结构缩短了器件的轴向长度,且提高了束波作用效率。通过粒子模拟研究了器件内束波作用的物理过程,模拟结果表明：器件具有结构紧凑、束波作用效率高的特点。在二极管电压700 kV,电流7 kA,导引磁场1.5 T时,器件在频率833 MHz处获得较高的微波输出,饱和后输出微波的平均功率达1.58 GW,效率约为32%,器件电磁结构尺寸仅为108 mm×856 mm。     

同轴引出电子束相对论返波振荡器的粒子模拟

设计了一种L波段同轴引出电子束相对论返波振荡器,采用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,分析了二极管电压和导引磁场对产生微波频率和束-波转换效率的影响。模拟结果表明:该器件在小型化,中等磁场的条件下具有较高的束-波作用效率。在电子束能量700 keV,电子束流10 kA,导引磁场为1.0 T时,器件在频率1.62 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.2 GW,平均效率约为30%,器件最大径向半径仅为5.0 cm。