相对论磁控管透明阴极的仿真与实验

基于一个6腔异腔结构相对论磁控管,运用粒子模拟仿真软件,对同轴阴极和透明阴极的特性进行仿真和实验研究。经仿真优化,设计并制作了一支3个带的透明阴极。粒子模拟结果表明,在相同条件下透明阴极比同轴阴极电子群聚时间大大缩短,起振时间大幅减小,整管效率提高约1倍,输出微波频谱更纯,模式竞争更小。实验结果表明,相同条件下,应用透明阴极所得到的微波脉宽较宽,在S波段获得721 MW的微波功率输出。说明应用透明阴极能缩短相对论磁控管起振时间,与粒子模拟结果相符。     

L波段全腔提取轴向输出相对论磁控管设计

设计了一种全腔提取轴向输出相对论磁控管。在模工作的N腔磁控管中, 该结构利用磁耦合的方式通过两个相邻谐振腔在一个扇形波导内激励起TE11模, 然后再由N/2个相位相同的扇形波导TE11模沿轴向向外传输。对L波段全腔提取轴向输出磁控管进行了仿真设计, 在600 kV, 6.3 kA的条件下, 获得1.89 GW微波输出, 功率转换效率50%, 微波频率1.57 GHz。该结构在径向方向上仅增加一个扇形波导厚度, 便于实现相对论磁控管的紧凑、高效设计。     

L波段全腔提取轴向输出相对论磁控管设计

设计了一种全腔提取轴向输出相对论磁控管。在模工作的N腔磁控管中, 该结构利用磁耦合的方式通过两个相邻谐振腔在一个扇形波导内激励起TE11模, 然后再由N/2个相位相同的扇形波导TE11模沿轴向向外传输。对L波段全腔提取轴向输出磁控管进行了仿真设计, 在600 kV, 6.3 kA的条件下, 获得1.89 GW微波输出, 功率转换效率50%, 微波频率1.57 GHz。该结构在径向方向上仅增加一个扇形波导厚度, 便于实现相对论磁控管的紧凑、高效设计。     

全腔输出半透明阴极相对论磁控管的结构改进和性能提升

对全腔输出半透明阴极相对论磁控管做了进一步的改进,并对其进行了物理分析和三维全电磁粒子模拟研究。通过半透明阴极结构的改进,即改变阴极角向方位和阴极发射面高度参差设计以及局部参数优化,使得在较宽的工作参数范围内,器件起振初期可能出现的模式竞争得到抑制,起振时间进一步缩短,同时输出效率得到较大提高。在注入电子束电压和电流分别约为518 kV和4.1 kA、外加磁场为0.575 T时,模拟在S波段获得了效率大于66%、功率约1.42 GW的微波输出。同时还给出了电子束电压和外加磁场等参数在一定范围内变化时对输出性能的影响规律。研究结果可应用于高效紧凑型相对论磁控管的实验研究。     

阴极帽结构L波段相对论磁控管的效率提升（英文）

提出了一种具有阴极帽结构的L波段相对论磁控管的设计方案,并给出了数值模拟结果。在相对论磁控管中引入阴极帽是为了降低轴向泄露电流并提高功率转换效率。三维粒子模拟用于研究引入阴极帽后产生的影响。结果显示,当在束波互作用区域的上游和下游同时添加阴极帽,并且将阴极延伸出阳极块结构,直至衍射输出结构时,轴向泄露电流不仅会从1 kA降至72 A,且功率转换效率会有明显提高。虽然如此,阴极帽的引入除了以上优点外,同样会带来微波反射。因此,阴极帽的半径和位置对于效率有至关重要的影响,它们之间存在一个最优数值来保证效率最高。当电压为563 kV,磁场为0.34 T时,轴向衍射输出结构L波段相对论磁控管输出微波功率为2.13 GW,频率为1.59 GHz,相应的功率转换效率为75.5%。     

透明阴极实现相对论磁控管跳频的仿真

基于一个6腔同腔结构相对论磁控管, 透明阴极金属条个数与磁控管腔数相同时相对论磁控管易于工作在2模式, 减少为腔体数目一半时易于工作在模式, 提出了旋转扇形透明阴极金属条角向位置实现相对论磁控管中心频率跳变的方案。经仿真优化, 设计了外径15 mm, 6个扇形金属条的透明阴极, 每个扇形金属条的角向宽度为20。运用粒子模拟软件, 仿真分析了角向位置金属条与阳极块相对应及金属条与谐振腔相对应两种情况, 在工作磁场保持0.75 T, 调节工作电压在600~800 kV内变化时, 模拟结果表明, 相对论磁控管可以很稳定地分别工作在 2模式和模式, 即通过旋转透明阴极实现相对论磁控管频率跳变。     

相对论磁控管透明阴极技术作用机理研究

透明阴极技术对相对论磁控管振荡启动过程具有显著影响,但其加速启动过程的作用机理仍有待深入研究。对采用扇形单元透明阴极的L波段相对论磁控管进行数值模拟,分析了场分布模式和带电粒子空间运动规律,发现透明阴极与实心阴极在磁控管振荡启动过程的差异。可见透明阴极带来的静电场角向分量与外加轴向磁场引起的洛伦兹力,对初始工作状态的电子具有向阳极加速漂移的作用。采用透明阴极的相对论磁控管的电子轮辐外缘更贴近阳极,群聚电子在轴向上具有随距离连续变化的速度分布,使得电子与高频电磁场的能量交换更加充分。对扇形阴极单元的个数与张角组合的匹配效果进行了模拟,给出了磁控管振荡建立阶段静电场角向分量对阴极电子发射与漂移运动的作用规律。透明阴极的设计需要与磁控管慢波结构相匹配,以得到最优化的工作状态。     

L波段相对论磁控管长时间稳定运行实验研究

以实现GW级高功率微波源长时间稳定运行为目标,利用应用电子学研究所小型化Marx型脉冲功率源平台开展了L波段六腔衍射输出相对论磁控管长时间稳定运行实验研究。首先介绍了L波段六腔衍射输出相对论磁控管基本结构及长时间稳定运行实验装置基本情况,接着给出了测试系统布局及各参数测试方法,最后给出了实验研究结果：所研制的L波段衍射输出相对论磁控管在输出功率大于1 GW、重复频率10 Hz的条件下实现了超过55 min的长时间稳定运行,输出微波模式稳定,无竞争模式出现,中心频率为1.57 GHz。     

S波段可调谐相对论磁控管的初步设计

 设计了一种可机械调谐的S波段相对论磁控管，该管采用由5个扇形腔和5个矩形腔组成的旭日型磁控管方案，通过小腔滑块移动实现调谐。利用等效电路法和高频场分析软件与粒子模拟软件分析了器件的性能。初步模拟结果表明：调谐相对带宽可达20％，当电压为650kV，磁场为0.6T时，全带宽内输出功率大于600MW，在大部分带宽内峰值功率大于900MW。     

S波段可调谐相对论磁控管的初步设计

设计了一种可机械调谐的S波段相对论磁控管,该管采用由5个扇形腔和5个矩形腔组成的旭日型磁控管方案,通过小腔滑块移动实现调谐。利用等效电路法和高频场分析软件与粒子模拟软件分析了器件的性能。初步模拟结果表明：调谐相对带宽可达20％,当电压为650kV,磁场为0.6T时,全带宽内输出功率大于600MW,在大部分带宽内峰值功率大于900MW。     

Modifications of a relativistic magnetron

Experimental studies of relativistic magnetron microwave oscillators aimed at improving the efficiency and stability of microwave pulses are reported. To this end, the basic units of the magnetron, namely, the anode assembly, microwave radiation output device, antenna system, and cathode assembly, are considerably modified.     

相对论磁控管中自磁场的影响

针对相对论磁控管中自磁场的产生与分布、自磁场对电子运动的影响以及自磁场对互作用的影响进行了深入分析。分析认为,由于自磁场分布的不对称,自磁场对不同区域电子束的作用不同。加速器一侧的电子束受到更明显的自磁场作用,促使此区域的电子束角向速度增加,直接激化模式竞争。同时,如果阴极比较靠近加速器一侧的1/4区域(距磁控管对称中心大约1/4高度）,模式竞争将进一步被激化。     

L波段相对论返波振荡器初步实验研究

设计了一个紧凑型L波段相对论返波振荡器 (RBWO),利用Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束-波作用的物理过程。模拟结果表明:在二极管电压700 kV、电子束流10 kA、导引磁场为1.0 T时,能实现L波段2.23 GW高功率微波输出,平均效率约为31.8%。为验证模拟结果,在高阻加速器平台上进行了初步实验：当二极管电压为703 kV、电流10.6 kA、导引磁场为0.8 T时,实验获得了峰值功率1.05 GW、频率1.61 GHz、脉宽38 ns的高功率微波输出,其功率效率为14.4%。     

L波段相对论返波振荡器初步实验研究

设计了一个紧凑型L波段相对论返波振荡器(RBWO),利用Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束-波作用的物理过程。模拟结果表明:在二极管电压700 kV、电子束流10 kA、导引磁场为1.0 T时,能实现L波段2.23 GW高功率微波输出,平均效率约为31.8%。为验证模拟结果,在高阻加速器平台上进行了初步实验:当二极管电压为703 kV、电流10.6 kA、导引磁场为0.8 T时,实验获得了峰值功率1.05 GW、频率1.61 GHz、脉宽38 ns的高功率微波输出,其功率效率为14.4%。     

L波段相对论速调管的3维粒子模拟

采用高频场软件对输入腔、中间腔和输出腔的高频特性进行冷腔分析。利用3维粒子模拟软件对L波段强流相对论速调管进行整体建模,模拟分析了整管工作情况,并讨论了3维模型中输入、输出耦合结构的引入对结果的影响。模拟参数为：电子束电压500 kV,电流5 kA,微波频率1.3 GHz,输出平均功率600 MW,效率约25%。     

L波段相对论速调管的3维粒子模拟

采用高频场软件对输入腔、中间腔和输出腔的高频特性进行冷腔分析。利用3维粒子模拟软件对L波段强流相对论速调管进行整体建模,模拟分析了整管工作情况,并讨论了3维模型中输入、输出耦合结构的引入对结果的影响。模拟参数为:电子束电压500 kV,电流5 kA,微波频率1.3 GHz,输出平均功率600MW,效率约25%。     

可调谐相对论磁控管的实验研究

实验研究了高有载品质因数下有无阳极端帽时调谐性能的差异,以及低有载品质因数下,没有阳极端帽时的可调谐相对论磁控管性能。研究结果表明：没有阳极端帽时,可调谐相对论磁控管具有更宽的调谐范围;在高有载品质因数下,可以达到2.52～3.31 GHz的调谐范围,输出功率范围为44～790 MW;低有载品质因数下,调谐范围为2.55～3.05 GHZ,调谐范围内输出功率1～1.7 GW。     

可调谐相对论磁控管的实验研究

 实验研究了高有载品质因数下有无阳极端帽时调谐性能的差异,以及低有载品质因数下,没有阳极端帽时的可调谐相对论磁控管性能。研究结果表明：没有阳极端帽时,可调谐相对论磁控管具有更宽的调谐范围;在高有载品质因数下,可以达到2.52～3.31 GHz的调谐范围,输出功率范围为44～790 MW;低有载品质因数下,调谐范围为2.55～3.05 GHZ,调谐范围内输出功率1～1.7 GW。