高峰值功率多注速调管的初步研究

 高峰值功率速调管因其作为高功率微波源而受到各国的重视。采用单电子注方案的高峰值功率速调管存在许多难以克服的问题,如工作电压很高,输出效率偏低,系统体积偏大等。对高峰值功率多注速调管进行了初步的研究,重点研究了S波段50 MW多注速调管的电子光学系统和高频互作用系统。研究表明,在与单注速调管相同的功率电平下,多注速调管的工作电压明显降低,输出效率明显提高,同时,这种管型也存在结构复杂、电子注聚焦和消除非工作模式困难等技术问题。     

高峰值功率多注速调管电子光学系统的研究

 分析了存在于高峰值功率多注速调管电子光学系统中的问题。采用间接设计方法设计了S波段50 MW多注速调管的电子光学系统。设计中采用分立屏蔽筒结构解决电子枪区聚焦场的旁轴对称问题。利用2维电子光学软件EGUN、3维电磁模拟软件MAFIA和PIC粒子模拟程序对电子轨迹进行了模拟,结果表明：分立屏蔽筒结构可以获得较好的旁轴对称场,电子光学系统的电子轨迹比较理想。     

基于离轴高增益速调管的X波段高功率合成技术研究

为了克服强流高增益速调管放大器中的自激振荡和适应低阻抗脉冲功率源发展的需要,利用高阻抗X波段五腔高增益速调管放大器进行了离轴八注八管高增益速调管功率合成技术研究,在频率为9.47 GHz、模拟输出功率为284 MW、增益为51.6 d B和效率为35.5%条件下,该器件整管微波输出稳定.在三维模型中,在离轴54 mm条件下该器件的微波输出特性稳定.基于实验室现有4.5 T(长1.1 m,室温孔径为150 mm)超导磁体,进行了八注八管高增益速调管的整管模拟,每个器件实现284 MW的微波输出.最后,为实现GW级功率输出,利用HFSS软件设计了用于离轴八注八管高增益速调管功率合成的八合一功率合成器,将该合成器同八注八管高增益速调管结合,模拟得到功率为1.84 GW、增益为50.7 d B、效率为28.8%的微波输出.     

紧凑型矩形波导内功率合成器设计

介绍了一种基于常规速调管功率合成和脉冲压缩的微波源系统,为实现多路高峰值功率速调管的功率合成,设计了一种紧凑型、近平面结构的微波功率合成器。在2.856 GHz频点处,合成器各端口反射损耗和相对端口隔离度均大于45 dB。当两路峰值功率为50 MW的微波功率合成时,合成器内的最大场强约为9.6 MV/m,合成效率大于99%。在四端口功率合成器的基础上,通过两级合成可实现一种八端口微波功率合成器,当四路峰值功率50 MW的微波功率合成时,合成器内最大场强约为13.5 MV/m。     

X波段高功率相对论速调管放大器研究

为进一步提高X波段相对论速调管放大器的输出功率,采用理论分析与粒子模拟的方法对双群聚腔级联式相对论速调管放大器进行了研究。分析了提高注入腔对注入微波吸收效率的方法,分析了群聚腔调制能力与腔体模式、Q值等参数的关系,分析了输出腔提取效率与Q值的关系。在三维粒子仿真中,设计了模式反射器抑制TEM模式泄露与杂模振荡,得到了功率超过2.5 GW,频谱纯净,频率锁定为8.40 GHz,输出输入微波相位差稳定,抖动不超过2°的高功率微波输出。     

X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器设计

针对器件工程应用中的高功率高增益需求,设计了工作在X波段的高功率高增益多注相对论速调管放大器,建立了带输入、输出波导结构的三维整管模型。设计双边对称耦合孔输入腔结构,降低了输入波导对输入腔间隙电场均匀性的影响以抑制非均匀干扰模式;设计采用多腔多间隙群聚结构,降低了输入微波功率的需求,提高了器件放大增益;并且分析设计了多间隙扩展互作用微波提取结构,提高了器件的功率转换效率以及降低输出结构表面电场强度。通过优化设计,粒子模拟仿真实现X波段多注相对论速调管放大器输出微波功率达到3.2 GW,器件放大增益约为60 dB,功率转换效率约为40%。器件验证实验在电子束电压550 kV,电流5.1 kA的情况下,输出功率为0.99 GW,放大增益约为53 dB,转换效率约为35%。     

离轴X波段五腔高增益速调管放大器

利用辛普森算法求解螺线管线圈内磁场分布,证明了离轴磁场能用于电子束的聚束。利用2维粒子模拟程序建立了X波段五腔高增益速调管放大器模型,整管模拟得到了频率9.45GHz、输出功率300MW、增益50.3dB和效率37.5%的微波输出。依此设计了X波段五腔高增益速调管放大器的三维模型,并将其分别放置在线圈中心轴和离轴54mm的位置进行模拟,模拟结果证明工作在离轴状态的器件同样可以进行微波放大。最后,对一个螺线管线圈内放置七个器件的状态进行了三维模拟,其合成功率输出可达2GW。     

小型化加速器用X波段多注速调管

传统的医疗及工业用直线加速器系统中一直使用磁控管作为功率源,特别是一些紧凑型加速器系统中,磁控管因为其尺寸与重量的优势成为唯一选择。通过利用多注速调管的低电压、尺寸小、重量轻的特点,研制成功功率量级远超磁控管同时尺寸重量接近的多注速调管,这将会为医疗及工业领域带来新的应用模式与产品类型。为满足医疗及工业辐照用中低能电子直线加速器的需求,近年来已研制出各类型高峰值功率速调管,在癌症治疗、无损检测、工业辐照等方面获得了广泛应用。介绍了一种小型化加速器用X波段多注速调管,其具有工作电压低、效率高、体积小、重量轻等特点,可应用于中低能放疗设备及小型化无损检测整机的加速器系统中。本管研制中重点解决了一体化线包聚焦、集成式冷却等技术,样管尺寸为Φ200 mm×400 mm,重量为25 kg。三支样管测试已可稳定获得峰值输出功率3 MW。     

X波段长脉冲同轴多注相对论速调管放大器的分析与设计

为了提高相对论速调管放大器的工作频率、输出功率以及转换效率, 结合三重轴相对论速调管和多注速调管的特点, 采用三维电磁粒子模拟软件分析与设计了工作在X波段的长脉冲同轴多注相对论速调管放大器, 通过优化设计有效地抑制了X波段长脉冲相对论速调管放大器的自激振荡, 避免了脉冲缩短现象的产生, 使X波段相对论速调管放大器在长脉冲状态下能够稳定工作, 在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA、轴向引导磁感应强度为0.8 T的条件下, 输出微波功率达到了1.23 GW, 效率为41%, 增益为42 dB.     

高能所S波段45MW脉冲速调管研制

北京正负电子对撞机国家实验室(BEPC)二期工程使用的高功率脉冲速调管运行功率要求在40MW以上, 为此高能物理研究所在引进国外速调管的同时开展了高能所创新项目45MW脉冲速调管设计、制造工作. 这种新型速调管为5谐振腔、单一陶瓷输出窗结构, 增益为50dB, 效率为40%, 工作电压为310kV. 2005年12月成功地完成了45MW速调管样管的测试, 测试结果显示主要技术指标达到了设计要求.     

长脉冲X波段多注相对论速调管放大器的初步实验研究

设计了工作在长脉冲的X波段同轴强流多注相对论速调管放大器, 对长脉冲强流多注电子束在多注器件结构中的传输、电子束经过输入腔和中间腔后的束流调制以及经过输出腔的微波提取等过程进行了实验研究, 采用了相应的设计措施以减轻实验中出现的脉冲缩短现象, 得到了初步的长脉冲实验结果. 在输入微波功率60 kW、频率9.378 GHz、电子束电压700 kV、束流4.2 kA、轴向引导磁感应强度1 T的条件下, 重频5Hz输出微波功率为670 MW, 脉宽89 ns, 效率为23%, 增益为40 dB, 输出微波频率与输入微波一致. 从实验上验证了几十千瓦级输入微波驱动X波段同轴多注RKA输出几百兆瓦长脉冲高功率微波的可行性, 为后续更高功率研究打下了基础.     

X波段短脉冲相对论返波管设计与初步实验

 对基于短电子束脉冲超辐射机理的X波段相对论返波管进行了优化设计和粒子模拟,结果表明：在超辐射机理作用下,该器件能实现高峰值功率和高功率转换效率的微波辐射。在小型Tesla脉冲源基础上设计了阻抗变换段、二极管、磁场系统等装置,建立了一套小型窄脉冲电子加速器,以此为实验平台在低磁场条件下进行了器件的初步实验研究。在磁场0.73 T、束压约380 kV、束流约4.5 kA、脉宽3.1 ns条件下,实验获得的微波脉冲峰值功率约360 MW,脉宽1.10 ns,上升沿800 ps,频率9.15 GHz,功率转换效率为21%。     

X波段相对论大功率速调管放大器的高频结构模拟研究

采用MAGIC 2.5D模拟软件,建立了X波段11.424GHz相对论大功率速调管放大器的高频结构模型。该模型由5个简单药盒型谐振腔组成,包括1个输入腔、3个中间腔和1个输出腔。研究了该模型的高频特性,初步设计漂移管及各谐振腔结构参数,再结合热腔模拟,研究了输入腔的吸收匹配问题,依据各腔体对基波电流逐级调制情况,优化配合各腔体的间隙等结构参数,从而获得电子束的最佳调制状态,最后通过调节外加均匀磁场大小获得百MW功率输出,结果表明:在加速电压520kV、束电流460A、外加磁场0.4T的条件下,当注入信号功率为1kW时,基波电流调制深度达162%,最终输出功率105MW,效率43.5%,增益50dB。     

S波段多注相对论速调管放大器长时间运行研究北大核心CSCD

为了实现高功率微波源低磁场及长时间稳定运行,开展了S波段GW级多注相对论速调管放大器(RKA)的理论模拟设计与实验研究。首先,采用一维大信号非线性理论软件优化设计了S波段4腔多注RKA,找到了器件工作的最佳参数:采用电压550 kV、束流4.7 kA的14注RKA,获得功率1.1 GW、效率43%的输出微波。随后,采用粒子模拟软件对理论设计的束波互作用参数进行了验证,获得了输出功率992 MW,器件效率为37%。最后,根据模拟参数开展了器件重频长时间运行实验研究。采用紧凑同轴Marx功率源驱动S波段四腔多注RKA,在电压530 kV、束流5.4 kA、重频20 Hz、运行时间1 s、引导磁场强度0.39 T、注入微波功率1.7 kW的条件下,获得了功率934 MW、脉宽69 ns的输出微波,束波转换效率33%。在器件重频20 Hz、运行时间10 min条件下,坚实了平均功率889 MW、平均脉宽42 ns的输出微波。该研究结果为S波段RKA的低磁场和长时间运行打下了的技术基础。     

200 MW S-band traveling wave resonant ring development at IHEP

The resonant-ring is a traveling wave circuit, which is used to produce high peak power with comparatively smaller stored energy. The application to be considered is its use as a high power simulator mainly for testing the klystron ceramic output window, as well as for high power microwave transmission devices. This paper describes the principle of a resonant ring and introduces the structure and property of the newly constructed traveling wave resonant ring at IHEP. Our goal is to produce a 200 MW class resonant ring at 2.856 GHz with a pulse length of 2 μs and repetition rate of 25 Hz. The installation, commissioning and testing of the ring have been completed and a peak power of 200 MW at 3 μs has been achieved. The conditioning results show that all the parameters of the resonant ring reach the design goals.     

L波段高功率多注速调管设计与模拟

 开展了峰值功率10 MW、平均功率150kW的L波段多注速调管的研究工作。采用均匀场多透镜聚焦系统对多电子注进行聚焦,获得了具有良好层流性和波动性的旁轴多注电子光学系统;采用二次谐波腔,对6个电子注、6个同轴谐振腔结构的速调管进行了注波互作用计算。结果表明,当电子注电压为115 kV,电流为132 A时,可获得大于10 MW的脉冲输出功率,大于65%的输出效率和大于45 dB的增益。     

常规速调管空间功率合成微波源

基于常规速调管,研制了用于开展空间功率合成实验的微波源系统。介绍了50 MW超大功率速调管发射机的系统组成、大功率速调管、相位控制及高功率测试系统等。重点阐述了超大功率速调管发射机的关键技术,并针对超大功率发射机的设计难点提出了具体的解决方案。为提高超大功率发射机的可靠性,设计了基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）的感应叠加型全固态调制器。给出了超大功率发射机的测试结果,并探讨了超大功率速调管发射机的改进方法。最后对基于常规速调管,研制用于空间功率合成微波源系统的发展进行了展望。