同轴腔高阶模式回旋管振荡器中多模起振过程的非线性模拟

给出了工作在高阶模式下的同轴腔回旋管振荡器,在考虑竞争模式情况下的多模起振过程的数理模型和具体的数值计算方法。以此为基础编制的程序对一只工作于高阶模式TE42, 22,频率为0.22 THz的同轴腔回旋管振荡器进行了多模非线性模拟研究。结果表明:在合适的腔体结构参数并考虑腔壁上的欧姆损耗情况下,竞争模式得到有效抑制,可以稳定地工作在单一模式,输出功率达0.87 MW,效率为22.8%,腔壁上的欧姆损耗低于其所能承受的最大值。     

共焦波导结构回旋行波管的设计与仿真

针对0.14 THz大气窗口,利用CST微波工作室和3维粒子模拟软件,对共焦波导结构的太赫兹回旋行波管进行了冷腔色散和注波互作用的模拟研究。以TE06模式作为互作用工作模式,在电压为35 kV、电流为2 A、横纵速度比为0.85的电子束参数下,当输入信号为1 W时,得到最高2 kW的微波功率输出,3 dB带宽为3.5 GHz,增益为30 dB。     

0.4 THz回旋行波管的设计与模拟

利用三维粒子模拟仿真软件,对共焦波导结构的0.4 THz回旋行波管进行了注波互作用的模拟研究。以共焦波导的冷腔色散以及衍射损耗入手,最终选定HE06模作为互作用工作模式。为了对寄生振荡进行抑制,在互作用结构中引入了截断。在模拟过程中,通过调节束压、束流、工作磁场、电子束横纵速度比,得到了最优的工作参数。最终,在束压34 kV、磁场14.25、束流2 A、横纵速度比0.75的工作参数下,当输入信号为1 W时,得到了最高2.76 kW的功率输出,增益超过34 dB,3 dB带宽为8 GHz,效率达到4%。     

双共焦波导结构二次谐波太赫兹回旋管谐振腔设计

准光共焦波导具有功率容量大、模式密度低的特点,能够有效地减少模式竞争对回旋管互作用的影响,有利于高次谐波太赫兹回旋管的设计.为提高太赫兹准光回旋管的互作用效率,在共焦柱面波导的基础上,研究了一种新型高频互作用结构——双共焦波导结构,设计了一种330 GHz二次谐波双共焦结构回旋管谐振腔并对其进行了理论分析和粒子模拟.研究结果表明,双共焦谐振腔中的高阶模式能够与高次电子回旋谐波发生稳定的相互作用,并且没有模式竞争现象,具备工作在太赫兹波段的潜力.相比普通共焦波导谐振腔,双共焦谐振腔能够增强准光回旋管的注波互作用强度,提高回旋管的输出功率和工作效率.此外,结果还表明双共焦波导中的电磁波模式是一种由两个独立的共焦波导模式叠加而成的混合模式.利用这种混合模式有望实现太赫兹回旋管的单注双频工作,为新型太赫兹辐射源的研究提供了新的途径.     

波瓣波导谐振腔太赫兹回旋管的研究

以电子回旋脉塞非线性理论为基础, 结合三维电磁仿真软件, 通过导入高频场数值解替代理论解析的方法, 对波瓣波导谐振腔高次谐波太赫兹回旋管进行了理论和模拟研究. 给出了该类回旋管的起振电流、耦合系数以及注波互作用效率等重要参数, 并在此基础上设计了一只工作频率为0.4 THz, 工作模式TE₃₃模三次谐波波瓣波导谐振腔回旋管, 其电子注参数为1.0 A, 40.5 kV, 横纵速度比1.5,互作用区引导磁场为5.09 T, 输出功率达到3.3 kW.     

8mm波段三次谐波复合腔回旋管的非线性分析

利用含电流的传输线方程,在考虑了诸多实际因素影响的情况下,对三次谐波渐变复合腔回旋管进行了自洽非线性模拟,计算了H₅₁₁-H₅₂₁模式下三次谐波多模注波互作用,分析了电子注的厚度、速度零散、速度比α值及磁场波动对多模注波互作用的影响 关键词： 回旋管 复合腔 多模注波互作用 速度零散 速度比α     

渐变复合腔回旋管高次谐波注-波互作用非线性模拟

利用含电流的传输线方程,在考虑多模与电子注互作用及多模耦合的情况下,对三次谐波渐 变复合腔回旋管进行了非线性模拟,计算了H₅₁-H₅₂模式下三次谐 波注波互作用,分析了多模对注-波互作用的影响. 关键词： 回旋管 渐变复合腔 多模注-波互作用 模式耦合 高次谐波     

3 mm波段二次谐波渐变复合腔回旋管的非线性模拟

 利用含电流的传输线方程,并在考虑多模注-波互作用及多模耦合的情况下,利用自主开发的多模高次谐波渐变结构复合腔回旋管的注-波互作用数值模拟软件,对3 mm波段二次谐波渐变复合腔回旋管进行了自洽非线性模拟,分析了H₀₂-H₀₃模式对下磁场系数、电流、电子注速度比对注-波互作用效率的影响。计算结果表明,在合适的腔体结构尺寸下,以及合适的磁场系数、电流、速度比下,注-波互作用效率可达27％。     

W波段损耗介质加载回旋返波振荡器中模式竞争的研究

本文采用自洽非线性理论模型系统研究W波段基波TE₀₁模回旋返波振荡器 模式竞争的物理机理. 通过采用特殊渐变的非谐振互作用结构和加载损耗介质抑制互作用系统中竞争模式, 从而防止系统出现非稳态振荡现象. 通过系统优化的互作用结构可以抑制竞争模式,能够稳定工作在TE₀₁模的轴向基模上. 计算表明系统输出峰值功率105 kW, -3 dB调谐相对带宽为5.4%. 这为发展应用于电子对抗、无损探测、等离子体诊断、材料处理等领域 的宽带毫米回旋返波振荡器提供了理论基础, 具有借鉴意义.     

连续调谐太赫兹回旋管非稳定振荡状态研究

太赫兹回旋管可实现高功率输出,并具有一定的频率调谐范围,是核磁共振波谱系统理想的高功率太赫兹辐射源。设计了263 GHz,TE_5,2基波连续调谐回旋管,通过磁场调节实现频率调谐范围为1.39 GHz,利用时域多模多频自洽非线性理论对设计的连续调谐回旋管非稳定振荡状态进行了研究。结果表明,在低次纵向谐波模式工作磁场范围内,当工作电流大于起振电流时,连续调谐回旋管先进入稳定状态,高次纵向谐波模式被抑制,工作模式TE_5,2的输出功率随时间不变;当电流增大,纵向谐波模式间的竞争引起回旋管由稳定状态进入到非稳定振荡状态,工作模式TE_5,2的输出功率随时间呈振荡变化且互作用效率大大降低;随着电流的进一步增大,回旋管又回到与低电流不同的稳定状态,互作用效率进一步降低。同时发现非稳定振荡状态的起始电流随着磁场增加而增大。本研究对需工作于稳定状态的面向DNP-NMR应用的连续调谐太赫兹回旋管的研制具有一定指导意义。     

Multiplication of the drive signal frequency in a relativistic microwave amplifier with a rod slow-wave structure

A theory is developed for the one-dimensional nonlinear multimode simulation of a Cerenkov maser of special configuration (antenna-amplifier [1, 2]) where a tubular relativistic electron beam propagates along a circular waveguide with a dielectric rod. The operating mode is the fundamental azimuthally asymmetric HE ₁₁ mode. Harmonics at the input signal frequency can be amplified because they fall into the amplification bands for higher modes. At certain parameters, the output power at the second or third harmonic may considerably exceed that of the amplified signal at the fundamental frequency. The powers of output harmonics can be efficiently controlled by varying the point of electron beam extraction from the interaction region, as well as by varying the input frequency or by switching the polarization of the input signal from linear to circular.     

外开槽同轴波导大轨道回旋自谐振脉塞放大器

 运用大轨道电子束,对外开槽同轴波导回旋自谐振放大器进行了线性动力学理论分析和非线性自洽模型模拟。由线性动力学理论分析和非线性模拟得到的结果在线性增长部分吻合得很好。为了有效抑制绝对不稳定性,对电子束流的选择进行了讨论。计算结果表明：对于电压为700 kV, 电流为100 A, 电子束纵横向速度比为0.8的大轨道电子束, TE₅₁外开槽同轴波导回旋自谐振脉塞放大器的峰值功率和峰值效率分别可以达到6.27 MW和8.96%。     

Explosive instability in a backward wave oscillator

A plasma filled backward wave oscillator supports Trivelpiece-Gould (TG) and TM modes. The former can be driven unstable by a relativistic electron beam via Cerenkov interaction or by the plasma return current as two stream instability. This unstable TG mode can parametrically couple to a TM mode via a negative energy beam mode giving rise to an explosive instability     

Scaling studies and time-resolved microwave measurements on arelativistic backward-wave oscillator

A relativistic backward-wave oscillator (BWO) operating at a frequency near 8 GHz has been built. The parameters of the 60-ns electron beam driving this microwave source are varied over the ranges 0.8-1.5 MV and 2-10 kA. Several different annular cathodes for launching the electron beam are tried, varying the outer radius and shape. The axial magnetic field guiding the beam through the BWO is varied between 0.6 and 3 T. The power transfer downstream to an output waveguide is investigated as a function of the shape of the transition from the BWO to the waveguide. The scaling of the output power and frequency with these variations is discussed. Time-resolved measurements of 2-ns-long segments of the microwave output are shown. In observations of the microwave signal, it is found that the frequency shifts as the output power envelope passes through a sharp dip. It is proposed that this shift corresponds to a change in the longitudinal operating mode of the BWO     

7.8GHz power generation device design using a rectangular dielectric-loaded waveguide

In this paper, we present a design where a bunched relativistic electron beam traversing inside the rectangular dielectric-loaded (DL) waveguide is used as a high power microwave generation device. Two kinds of methods of calculating the electromagnetic (EM) field excited by a bunched beam are introduced, and in the second method the calculation of EM pulse length is discussed in detail. The desired operating mode is the LSM_11 due to its strong interaction with the electron beam. For the designed 7.8~GHz operating frequency, with a 100~nC/bunch drive train of electron bunches separated by 0.769~ns, we find that high gradient (>30~MV/m) and high power (>160~MW) can be generated. An output coupler is also designed which is able to extract the generated power to standard waveguides with a 94% coupling efficiency.     

Mode control in a high-gain relativistic klystron amplifier

Middle cavities between the input and output cavity can be used to decrease the required input RF power for the relativistic klystron amplifier.Meanwhile higher modes,which affect the working mode,are also easy to excite in a device with more middle cavities.In order for the positive feedback process for higher modes to be excited,a special measure is taken to increase the threshold current for such modes.Higher modes' excitation will be avoided when the threshold current is significantly larger than the beam current.So a high-gain S-band relativistic klystron amplifier is designed for the beam of current 5 kA and beam voltage 600 kV.Particle in cell simulations show that the gain is 1.6×105 with the input RF power of 6.8 kW,and that the output RF power reaches 1.1 GW.     

宽带相对论速调管放大器模拟设计

设计了一种用于S波段、工作带宽10%的相对论速调管放大器结构。该宽带管采用多间隙输入腔、两个中间腔和重叠模双间隙输出腔来拓展相对论速调管放大器(RKA)群聚段和输出段的带宽, 模拟得到基波调制深度大于80%时, RKA群聚段和输出段的带宽分别为11%和15%。整管模拟时, 通过调节注入微波频率和功率, 得到最大功率1.58 GW、3 dB相对工作带宽10%、带内微波功率不小于1 GW的输出微波。     

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.     

填充等离子体的介质同轴波导中的切伦科夫辐射

 利用自洽线性场理论，导出了薄环形相对论电子注通过填充等离子体的介质同轴波导中的注波互作用色散方程，得到了注波互作用产生切伦科夫辐射的同步条件和波增长率。分析了填充等离子体后的波与电子注之间的能量交换及等离子体密度对色散特性、波增长率和注波能量交换的影响。分析结果表明：切伦科夫辐射是由沿介质同轴波导传播的慢波与沿薄环形相对论电子注传播的负能空间电荷波耦合所致，且其耦合强度与电子注的密度成正比；输出频率和波增长率随着填充等离子体密度的增大而提高；保持一定的输出频率，增大电子注的束流可得到高的微波输出功率。