微波脉冲与不同形状带矩形孔缝腔体耦合的数值模拟

 利用时域有限差分法对微波脉冲与带矩形孔缝的矩形和圆柱形腔体两种系统的线性耦合过程进行了研究。首先用数值方法分析了耦合过程中的场增强现象、脉宽展开现象和腔体调制现象,并发现了耦合过程中微波脉冲存在频谱分离现象。当微波脉冲的电场与孔缝窄边平行时,借助耦合函数对两个系统内部耦合场的分布特性进行了研究,结果表明在与孔缝窄边垂直的平面内,越靠近腔体壁,耦合场越弱。此外,两种腔体内部的耦合场在腔体截面内均呈现准周期振荡分布,矩形腔体内部耦合场振荡的幅值较均匀,而圆柱形腔体内部耦合场幅值在其截面中心附近区域最大;除了孔缝附近区域外,圆柱腔体轴线两端的耦合场远大于矩形腔体相应的耦合场。最后,研究了孔缝耦合共振频率与孔缝尺寸的关系,结果表明系统耦合共振频率不只与孔缝尺寸有关,而是由孔缝尺寸和腔体形状及其对微波脉冲的反射特性共同决定。     

S波段相对论速调管放大器输入腔的3维分析与模拟

 利用3维软件设计了适用于S波段相对论速调管放大器的单重入输入腔,该腔体采用了偏心设计,以便减小耦合孔处的不均匀场对腔间隙场的影响,分析了腔体耦合孔尺寸对腔间隙场均匀性的影响;建立了带输入波导结构的3维输入腔开放腔模型,并应用此模型,采用3维PIC程序模拟了注入微波功率、束直流对输入腔间隙后束流调制的影响。研究结果表明：耦合孔尺寸对腔间隙电场均匀性影响较大,当耦合孔离轴越近时,腔间隙场越不均匀;在结构参数和束参数固定的条件下,基波电流调制深度随着间隙电压的增加而增加,但达到最大基波调制电流的漂移距离几乎不变;在结构参数和注入微波参数固定的条件下,束直流越大,达到最大基波调制电流所需的漂移距离越短。研究结果为腔体的设计和输入腔束流调制实验提供了参考依据。     

回旋速调管输入耦合器分析与设计

 对Ka波段工作模式为TE₀₁模和TE₀₂模的两种回旋速调管的输入耦合器进行了详细研究,利用模式匹配理论和HFSS建模仿真计算了内圆柱腔和外同轴腔的尺寸;提出了一种与软件计算相结合的模式纯度计算方法,对内腔工作模式纯度、内外腔能量分数进行了计算。内腔侧面上的耦合缝的大小、角向位置都直接决定外同轴腔内的TE_m11模向内圆柱腔的TE_0n1模的耦合情况。针对耦合缝与输入波导成45°和0°分布两种情况,研究了耦合缝长、宽和角向偏移,以及内外腔频差对频率、Q值及内腔能量分数的影响。分别设计了Ka波段内腔工作模式为TE₀₁₁、外腔为TE₄₁₁和内腔TE₀₂₁、外腔TE₈₁₁的两种输入耦合器,并利用矢量网络分析仪对内腔工作模式为TE₀₁₁的耦合器进行了冷高频测量,测得频率为34.257 GHz,与计算结果34.300 GHz仅相差43 MHz。     

双间隙输出腔开放腔的高频特性分析

 建立了S波段相对论速调管放大器双间隙输出腔开放腔的3维模型。采用时域有限差分法,通过监测激励电流源的响应计算了该双间隙输出腔的谐振频率、有载Q值、场分布以及特性阻抗,并分析了腔体结构尺寸对谐振频率、有载Q值和特性阻抗的影响。研究表明：腔体半径对开放腔的谐振频率影响很大,耦合孔尺寸对腔体谐振频率的影响较小;随着耦合孔张角增加,有载Q值逐渐减小;随着腔体半径增大、间隙的减小,腔体特性阻抗降低。研究结果可为S波段强流相对论速调管放大器双间隙输出腔的设计提供理论依据。     

窄缝耦合的快速估算法

 基于小孔耦合理论和腔体格林函数,提出了长宽比大于10的窄缝耦合的快速算法,并与Micro-Stripes软件的计算结果进行比较,两者基本一致。研究了窄缝位置、数量及腔体尺寸对屏蔽效能的影响,结果表明：每增加一条相同尺寸、相同取向的窄缝可使腔体的腔体屏蔽效能下降约6 dB;窄缝长度不变的条件下,长宽比每增大1倍则屏蔽效能增加1 dB,并且增大腔体任一方向的尺寸都可以使屏蔽效能增大;除腔体的谐振频率与软件计算结果稍有差异之外,快速算法与软件的计算结果吻合很好,而快速算法的速度远大于软件计算速度,且适合于高频范围。     

回旋速调放大器输入谐振腔分析及数值模拟

 输入谐振腔将波导输入的高频信号转化为内腔中工作模式的驻波场，以实现对回旋电子注角向速度的调制。对输入谐振腔的同轴谐振腔和两端开孔的圆柱谐振腔分别进行了解析分析，数值计算中引入修正来反应耦合狭缝的影响，几min就能完成一种结构尺寸的计算分析。通过优化得到输入谐振腔的初步结构和尺寸，然后利用三维高频分析软件HFSS进行精确的模拟和修正，提高模式转化效率和纯度，获得了高性能的输入谐振腔。     

二次电子倍增对射频平板腔建场过程的影响

建立了射频平板腔动态建场等效电路以及腔体双边二次电子倍增的混合物理模型,利用自主编制的1D3V-PIC二次电子倍增程序和射频平板腔动态建场全电路程序,研究分析了不同腔体Q值情况下二次电子倍增对射频平板腔动态建场过程的影响.数值模拟表明：射频平板腔建场过程中不存在二次电子倍增的情况下,腔体Q值越高,建场时间越长,注入能量等于腔体储能和腔体耗能,建场前期腔体储能速度快于耗能速度,建场后期腔体耗能速度快于储能速度,建场成功后平均腔体消耗功率与平均注入功率相等.射频平板腔建场过程中存在二次电子倍增情况下,腔体Q值越高,进入二次电子倍增的时刻越晚,二次电子倍增作用时间越长;二次电子发射面积越大,二次电子电流峰值越高.二次电子倍增的持续加载,最终会导致射频平板腔建场过程的失败;腔体Q值越高或二次电子发射面积越大,射频平板腔建场成功的概率越低.相关模拟结果可为工程设计提供一定的参考.     

估算双层屏蔽腔体窄缝耦合的混合方法

 用混合方法计算双层屏蔽腔体窄缝耦合时,外腔体的窄缝耦合用传输线模型计算,内腔体的用磁偶极子模型计算。混合法可以求出双层屏蔽腔体内的场分布和屏蔽系数的分布规律,避免了传输线模型只能计算腔体中心线上的屏蔽系数而不能分析腔内横截面上耦合场分布规律的缺点。将得到的窄缝耦合的传输线模型和磁偶极子模型的计算结果与实测值和Micro-Stripes软件仿真值进行对比,验证了传输线和磁偶极子模型的有效性。混合方法给出了窄缝数量及腔体内不同观测点对屏蔽系数的影响,结果表明：双层屏蔽腔体的屏蔽效能明显优于单层屏蔽腔体;随着相同尺寸的窄缝数量的递增,腔体内的屏蔽系数递减;在与双层屏蔽腔体中心线垂直的横截面上,观测点屏蔽系数以中心线上点为中心,沿窄缝方向向两边递增,也就是离中心线越远,腔体内的耦合电场越弱,且混合法的速度明显快于软件计算速度,适合于高频范围的分析。     

回旋加速器高频腔的设计与分析

根据正电子发射断层显像(PET)回旋加速器的物理要求与实际情况,确定了PET回旋高频双腔体的具体设计方案。在加速电压比较高的要求下,充分利用有限的空间,设计1/4波长线的异型覆面的竖腔结构腔体,采用短路片与移动电容板双调谐结构,满足了频率调谐要求;同时获得较高的品质因数,达到了物理设计要求的加速电压。利用Microwave Studio CST程序对腔体的Q0值、热分布、功率损耗、微调电容做了详细的分析与计算;对实际测量值与仿真计算值进行了对比,并对产生的误差进行了分析和讨论。腔体电压实际测量值达到50kV以上,频率稳定度达到设计指标1.0×10-6/d。     

微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体耦合的数值模拟研究

利用时域有限差分(FDTD)方法对微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体的耦合过程进行了数值模拟研究.如果孔缝填有介质,则预期对微波耦合进入腔体的物理过程有重要影响,研究了微波与带介质孔缝矩形腔体耦合的过程中影响介质孔缝耦合共振峰和共振频率点的因素,包括孔缝长度、宽度和介质相对介电常数等物理量的影响.通过大量不同孔缝尺寸的模拟研究,发现孔缝的介质对孔缝耦合共振频率有明显影响,我们对微波与带介质孔缝耦合发生共振的公式进行了拟合,最后得出了微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体耦合的共振条件.     

Experimental Study of a Slot Antenna Excited by a TE011 Mode Coaxial Cavity

A slot antenna is developed to excite the high harmonic waveguide mode for generating large-area plasmas. This antenna consists of a TE₀₁₁ mode coaxial cavity with the axial slots positioned on equal interval on the inner wall. The waves radiated from those slots can excite the high harmonic mode in the central area. With the azimuthal symmetric wave field of the TE₀₁₁ mode, the number of the slots can be chosen to match the field pattern of the high harmonic mode. In this report, the dispersion relation of the coaxial waveguide, the coupling scheme and the mode competition of the cavity are studied. A method has been successfully developed to suppress the TE₁₂₁ mode which is the most competing mode to the TE₀₁₁ mode.     

TE011腔使用扁平样品管提高水溶液样品ESR波谱灵敏度的研究

实验表明,在TE₀₁₁模式园柱形腔中,不但可以使用扁平样品管测量水溶液样品的ESR波谱,而且获得好的腔品质因子Q和高品质的ESR信号。所观察到的信号高度,是使用最佳尺寸毛细管样品时最大信号高度的3.2倍;又是在具有波导尺寸的TE₁₀₂腔中使用扁平样品管时所获得信号高度的3倍。本文对此作了定性的理论分析。     

70 GHz二次谐波倍频回旋速调管研究

 对70 GHz二次谐波倍频回旋速调管高频结构和电子与波互作用进行了研究。研究了TE02模腔体绕射品质因数及模式转化,解决了二次谐波倍频回旋速调管漂移段不能截止70 GHz的TE01模而引起的腔体间高频串扰的问题。分析了注电流、输入功率、电子横纵速度比和电子注引导中心半径等参数对输出功率、增益和效率的影响。针对二次谐波回旋速调管放大器工作频带窄、效率低,进行了高频结构优化设计,显著地展宽了工作频带,提高了互作用效率。在理论分析和高频计算的基础上,建立了注-波互作用PIC（粒子模拟）模型,进行了粒子模拟计算和优化,得到了70 GHz 的二次谐波倍频四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟结果表明：在工作电压70 kV,注电流13 A,电子注横向速度与纵向速度比为1.5时,中心频率69.81 GHz输出功率256 kW,带宽160 MHz,电子效率28%,饱和增益大于44 dB。     

Aqueous sample in an EPR cavity: sensitivity considerations

The radial mode matching (RMM) method has been used to calculate accurately the microwave field distribution of the TE(011) mode in a spherical EPR cavity containing a linear aqueous sample, in order to understand in detail the factors affecting sensitivity in EPR measurements at X band. Specific details of the experiment were included in the calculations, such as the cavity geometry, the presence of a quartz dewar, the size of the aqueous sample, and the sample's dielectric properties. From the field distribution, several key physical parameters were calculated, including cavity Q, filling factor, mean microwave magnetic field at the sample, and cavity efficiency parameter Lambda. The dependence of EPR signal intensity on sample diameter for a cylindrical aqueous sample was calculated and measured experimentally for non-saturated and half-saturated samples. The optimal aqueous sample diameter was determined for both cases. The impact of sample temperature, conductivity, and cavity Q on sensitivity of EPR is discussed.     

Design and simulation of a new type of 500 MHz single-cell superconducting RF cavity

This paper illustrates the design and simulation of a unique 500 MHz single-cell superconducting radio frequency cavity with a fluted beam pipe and a coaxial-type fundamental power coupler. The simulation results show that the cavity has a high r/Q value, a low peak surface field and a large beam aperture, so it can be a candidate cavity for high current accelerators. With the help of a fluted beam tube, almost all the higher order modes can propagate out of the cavity, especially the first two dipole modes, TE₁₁₁ and TM₁₁₀, and the first higher monopole mode, TM₀₁₁. The external quality factor of the coaxial fundamental power coupler is optimized to 1.2×10⁵, which will be useful when it is applied in the light source storage ring.     

TE11模式增强型高效率同轴虚阴极振荡器

 在阴阳极严格同轴的条件下，理论分析表明同轴虚阴极振荡器中TE₁₁模式与TM₀₁模式与径向入射电子束的谐振耦合具有近似的作用效率。3维PIC数值模拟结果显示，即使在圆对称结构下，输出波导中非角向均匀模式在输出功率中也占有较大成分。因此，同轴虚阴极振荡器中TE11模式与电子束之间的谐振作用对器件效率的影响不可忽略。通过引入结构的不对称性以及TE11模式反射器可以抑制电子束与TM₀₁模式之间的谐振作用，从而起到抑制同轴虚阴极振荡器系统中模式竞争的作用，因此可以提高电子束到微波的功率转换效率。实验结果表明，采用阴阳极非均匀对称结构的TE₁₁模式增强型同轴虚阴极振荡器可以大幅度提高效率，在优化参数条件下获得功率转换效率约7％，输出功率大于1.0 GW的实验结果，该功率约为近似严格同轴结构的2.5倍。该研究结果可以为高效率同轴虚阴极振荡器装置设计与实验结果分析提供基本理论依据以及参数确定基础。     

RF study of a C-band barrel open cavity pulse compressor

This paper focuses on the RF study of a C-band barrel open cavity(BOC) pulse compressor. The operating principle of BOC is presented and the technical specifications are determined. The main parts of BOC such as the cavity, the matching waveguide, the coupling slots and the tuning rings were numerically simulated by 3-D codes software HFSS and CST Microwave Studio(MWS). The "whispering gallery" mode TM6,1,1 with an unload Q of 100000 was chosen to oscillate in the cavity. An energy multiplication factor of 1.99 and a peak power gain of6.34 was achieved theoretically.     

Ka波段二次谐波回旋速调管放大器输入耦合器的分析与模拟

 对应用于Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的一种输入耦合器进行了分析，并利用三维电磁模拟软件HFSS和ISFEL3D对其进行了模拟与设计。研究结果表明，该输入耦合器具有较高的能量耦合效率，并能在Ka波段获得高纯度的TE₀₂₁谐振模式。     

内导体倾斜的内开槽同轴回旋管

同轴回旋管中不可避免发生内导体倾斜。主要研究了内导体倾斜对特征根、Q值、谐振频率、横向电场、模式竞争和电子效率的影响,并以170 GHz TE_{31, 12}内开槽同轴回旋管作为实例对内导体倾斜理论进行验证。结果表明,特征根和Q值随倾角θ增大而略微增加。在0~0.5°范围内,当θ稍微增大时,电子互作用效率稍微减少。如果θ增加到1.3°,则由于模式竞争严重,且横向电场畸变严重,电子互作用效率降低到只有5%。受内导体倾斜的影响, 随着θ增加,无论热腔还是冷腔,谐振频率都稍微增大。