毫米波回旋超辐射的粒子模拟与实验研究

为开发回旋超辐射在毫米波和亚毫米波超辐射高功率微波源中的优势,采用3维PIC粒子模拟对回旋超辐射的工作特性进行了分析,并在此基础上优化设计了器件结构及工作参数范围。模拟表明,微波峰值功率与电子束脉宽在一定范围内成平方关系,符合超辐射的典型特征。初步实验在210 kV, 250 A的电子束参数下获得了6 MW的微波峰值功率输出,工作频率37.2 GHz,模式为TE01,与粒子模拟的结果基本一致。     

具有超辐射特性的回旋器件模拟研究

在详细分析快波结构中的束波互作用基础上,采用2.5维PIC粒子模拟软件设计了一种回旋器件。该器件采用摇摆器形成回旋电子束,并采用强耦合方式和优化的互作用段长度,在束压250 kV、束流200 A、脉宽1 ns的电子束驱动下,模拟获得了峰值功率7 MW、频率38.5 GHz的微波短脉冲输出,峰值功率转换效率达到14%。其峰值输出功率与束脉宽之间的平方关系符合超辐射效应的特征。     

基于超辐射机理产生X波段高功率亚纳秒脉冲研究

设计了一种基于超辐射机理的X波段相对论返波管结构, 利用全电磁2.5维粒子模拟程序对返波管中的超辐射机理进行了粒子模拟研究. 模拟表明: 在束430kV、束流4kA, 脉宽3.1ns的电子束驱动下,实现了峰值功率1.5GW、频率10GHz、脉宽500ps的亚纳秒微波脉冲输出, 峰值功率转换效率达到87.2%;在超辐射机理作用下, 微波峰值功率与电子束脉宽在一定的范围内成平方关系.     

具有超辐射特性的回旋器件模拟研究

 在详细分析快波结构中的束波互作用基础上,采用2.5维PIC粒子模拟软件设计了一种回旋器件。该器件采用摇摆器形成回旋电子束,并采用强耦合方式和优化的互作用段长度,在束压250 kV、束流200 A、脉宽1 ns的电子束驱动下,模拟获得了峰值功率7 MW、频率38.5 GHz的微波短脉冲输出,峰值功率转换效率达到14%。其峰值输出功率与束脉宽之间的平方关系符合超辐射效应的特征。     

低引导磁场下相对论亚纳秒电子束毫米波返波振荡器的粒子模拟

提出了一种Ka波段的相对论亚纳秒电子束毫米波慢波结构,在较低引导磁场情况下,运用粒子模拟(PIC)方法成功地模拟出器件中波束互作用的非线性物理演化过程,得到了一种超辐射状态下的微波辐射,它的产生与波相对于电子束滑移引起的电子束内电子间相互作用有关,辐射微波的峰值功率与电子束总电荷的平方成正比.粒子模拟有利于对超辐射这种束波互作用非线性物理现象的理解,并且对器件的设计有一定的参考价值.     

提高相对论返波管超辐射峰值功率的新途径

 基于相对论返波管束波互作用的非线性自洽方程组,针对超辐射机制相对论返波管计算模型,编制程序数值研究了二极管电压、电流、耦合阻抗等参数对输出超辐射的影响,提出了提高相对论返波管超辐射峰值功率的新途径。通过全电磁粒子模拟程序验证了所得结论：超辐射机制下,通过电子束脉冲内线性调制二极管电压和电流,以及采用非均匀耦合阻抗的混合优化方式,可以增加束波共振范围和改善束波换能效率,达到进一步提高相对论返波管超辐射峰值功率的目的。     

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%。     

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。     

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。     

3 mm波段回旋速调管放大器设计与粒子模拟

设计了一支3 mm 波段基波回旋速调管,该回旋速调管工作在低损耗的TE01模式,包含四个谐振腔。首先使用线性理论确定工作参数的大致范围, 然后采用HFSS软件设计单个谐振腔,通过调整谐振腔尺寸和腔壁介质层参数使谐振腔的谐振频率和Q值符合设计要求, 最后使用粒子模拟程序优化设计了回旋速调管的互作用电路,研究了谐振腔参差调谐方案, Q值对回旋速调管性能的影响, 互作用电路的稳定性以及电子注参数变化对注-波互作用性能的影响。PIC粒子模拟结果表明,在电子注电压65 kV, 电流6 A, α(V⊥/V∥)1.5, 工作磁场3.6 T时,回旋速调管的3 dB带宽约为600 MHz,在93.7 GHz获得139 kW 的峰值输出功率,效率为35.6%,增益为28.4 dB。模拟中没有考虑电子注速度零散的影响。     

A study on the performance of a gyromonotron

A method is presented which allows to calculate the large signal beam efficiency of a gyromonotron working at the s-th harmonic of the cyclotron frequency. The results of this calculation using efficiency optimized parameters are given for different TE_mn distributions and also for a magnetic taper. It is shown that beam efficiencies, which are higher than twice the value at constant electric and magnetic fields are theoretically possible. Also the influence of the beam voltage is considered. For a given beam voltage and a given electric field distribution in the resonator power calculations are performed and it is shown what powerlevels are available for different resonator modes and for different cyclotron harmonics.     

THz回旋自谐振脉塞多模束波互作用非线性模拟

为了有效分析模式竞争,建立了回旋自谐振脉塞（CARM）多模束波互作用自洽非线性理论模型,并具体模拟研究了工作模式为TM51、频率为0.35 THz的高阶横磁模CARM中大轨道相对论电子束与多电磁模式的互作用过程。模拟结果表明:与回旋管不同,THz频段CARM可以有效工作于高阶TM模式,且具有较高的输出功率和增益;通过对工作参数的优化,可使工作模式的功率增长具有绝对优势,而竞争模式得到有效抑制;高阶TM模式THz频段CARM的性能对工作参数的变化十分敏感,在参数设计过程中必须对其进行多模束波互作用模拟分析。     

THz回旋自谐振脉塞多模束波互作用非线性模拟

为了有效分析模式竞争,建立了回旋自谐振脉塞（CARM）多模束波互作用自洽非线性理论模型,并具体模拟研究了工作模式为TM51、频率为0.35 THz的高阶横磁模CARM中大轨道相对论电子束与多电磁模式的互作用过程。模拟结果表明：与回旋管不同,THz频段CARM可以有效工作于高阶TM模式,且具有较高的输出功率和增益;通过对工作参数的优化,可使工作模式的功率增长具有绝对优势,而竞争模式得到有效抑制;高阶TM模式THz频段CARM的性能对工作参数的变化十分敏感,在参数设计过程中必须对其进行多模束波互作用模拟分析。     

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%。     

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%。     

Discrete mathematical model of a sheet electron beam in a decaying magnetic field

A discrete model of a sheet electron beam is developed in a weakly relativistic approximation. A 3D simulation of the sheet electron beam with cyclotron rotation in an axially symmetric static magnetic field under time-periodic conditions of entry is performed. The velocity spread in the beam and the efficiency of converting the energy stored in the beam into DC power depending on the beam perveance are calculated.