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%。     

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。     

倍频谐波回旋行波放大器的研究

 通过研究倍频谐波回旋行波放大器中电子束在调制区和漂移区中的群聚与在辐射区中的辐射,给出了器件各部分的最佳参数;同时在均匀波导管和引导场的情况下,运用低速率比的电子束获得了宽带输出。当电子束的电压为130kV、电流为20A、速率比为0.8以及纵向速度散度为1%时,模拟得到器件的饱和带宽至少可达到10%,峰值功率和增益分别为290k W和50dB,常数驱动带宽约9%。     

紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器，通过粒子模拟研究了L波段同轴相对论返波振荡器相互作用的物理过程，并对器件的电磁结构进行了优化和改进。分析表明，采用同轴慢波结构可以在较低的外加磁场下实现L波段返波振荡器的微波输出，同时可以大大减小微波器件的径向尺寸。这是因为同轴慢波结构的TM01模式有类似于TEM模的性质，没有截止频率，但纵向电场不为零，电子束能够与它发生强相互作用过程。粒子模拟优化结果表明，在器件半径仅为4.0 cm，电子束能量240 keV，电子束流1.8 kA，导引磁场仅为0.75 T时，返波振荡器可以在频率1.60 GHz处获得较大功率的微波输出， 平均峰值功率达140 MW，平均峰值功率效率约为32%。     

相对论返波管超辐射产生与辐射的数值模拟研究

本文研究了相对论返波管产生X波段超辐射问题,产生中心频率为9.25 GHz的电磁脉冲,并在相对论返波管的输出端直接接入VLASOV辐射天线.提出将粒子模拟软件UNIPIC与自行研制的天线辐射模块相结合,实现超辐射现象微波的产生以及辐射的全过程模拟,并研究了输出功率随注入波脉冲以及填充稀有气体气压的变化.模拟结果表明,器件的峰值功率可以达到3.68 GW,瞬时效率超过100%,VLASOV天线在斜切角为20?时,天线的增益达到15.5 dB,在1 km处的功率密度可达到0.728 W/cm2.     

X波段重复频率GW级超辐射相对论返波管

运用超辐射机理,通过粒子模拟设计了X波段超辐射相对论返波管,并在小型Tesla脉冲源平台上开展了实验研究。通过空间功率积分和直接对辐射微波时域波形的分析得到实验结果:在束压350 kV、束流4.8 kA、脉宽3.1 ns、引导磁场2.2 T条件下,产生的微波辐射功率1.4 GW,中心频率9.36 GHz,脉宽500~700 ps,辐射模式为TE11,能在重复频率100 Hz下稳定运行。功率转换效率超过80%。实验结果与粒子模拟结果比较吻合,成功实现了在短脉冲条件下产生重复频率、亚纳秒脉宽、GW级微波辐射。     

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。     

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.     

基于开槽单矩形栅和圆形电子注的W波段返波振荡器

提出将开槽单矩形栅和圆形电子注作为 W波段返波振荡器的注波互作用回路. 使用 3维电磁场仿真软件CST-MWS对开槽单矩形栅的高频特性进行了仿真分析, 研究结果表明: 相对于传统单矩形栅, 新结构的基模带宽有所展宽; 基模与高次模发生模式竞争的可能性很小; 在采用圆形电子注时新结构能获得大得多的耦合阻抗; 新结构的趋肤损耗略有改善. 将该慢波结构应用于设计一支以94 GHz为频带中心的W 波段返波振荡器: 设计了简洁的慢波过渡部分、输出耦合器和终端匹配衰减器, 优化参数后获得了良好的信号传输特性; 利用粒子模拟软件CST-PS对返波振荡器模型进行了三维大信号注波互作用计算, 设定合适的电子注电流等参数后, 调整工作电压在较宽的频带内获得了瓦级的功率输出, 电子效率在整个频带范围内优于1%. 关键词： 开槽单矩形栅 圆形电子注 返波振荡器 W波段     

材料表面处理用强流电子回旋共振离子源

介绍一台2.45 GHz永磁强流电子回旋共振离子源,其外径160mm,高90 mm,放电室直径70 mm,高50 mm。微波馈入采用介质耦合方式,微波窗由一块f50 mm10 mm柱形BN和两块f30 mm10 mm的柱形陶瓷构成。离子源工作在脉冲模式下,采用三电极引出系统,最高引出电压达到100 kV,在微波输入功率300 W、进气量0.4 mL/min时,可引出峰值超过30 mA的氮离子束,在距离离子源引出孔1200 mm位置处的束流均匀区直径大于200 mm。     

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%。     

Speed of the internal pellet target in CSRm

Pellet target is one of the main candidate targets in CSRm (cooler storage ring’s main ring) for hadron physics studies. Pellet speed is an important physical parameter for the target. Larger pellet speed could shorten the interacting time interval between the pellet and the cyclotron beam, and thus results in a small temperature variation for the pellet. This could make the pellet facility work in a stable condition. A fluid dynamic simulation was carried out for the pellet speed, and it was found that the...