TE02模式95 GHz三次谐波回旋管实验

首次实现W波段三次谐波回旋管输出功率突破10 kW。谐波回旋管互作用结构采用带有光阑结构的圆柱型开放式谐振腔,工作模式为低损耗圆对称模式TE02。实验中,在脉冲宽度20 s、电子束电压45 kV、电流3A、磁场1.23 T时,测得工作频率为95.22 GHz,输出功率13.4 kW,对应效率9.9%。     

W波段二次谐波突变复合腔回旋管数值模拟

通过对二次谐波低电压突变结构复合腔回旋管中谐振腔结构、模式竞争以及电子注-波互作用的研究,分析了高频结构特性、寄生模式的抑制和工作参数优化等问题。给出了3 mm 二次谐波低损耗TE02/TE03模式回旋管的模拟设计结果。计算采用了坡度磁场,互作用效率得到显著提高。PIC粒子模拟结果表明:在电子注电压25 kV、电流4 A、纵横速度比1.6、工作磁场1.72 T时,回旋管可获得37 kW 的输出功率,横向运动能量转换效率高达51%,器件效率为37%。     

W波段二次谐波突变复合腔回旋管数值模拟

 通过对二次谐波低电压突变结构复合腔回旋管中谐振腔结构、模式竞争以及电子注-波互作用的研究,分析了高频结构特性、寄生模式的抑制和工作参数优化等问题。给出了3 mm 二次谐波低损耗TE₀₂/TE₀₃模式回旋管的模拟设计结果。计算采用了坡度磁场,互作用效率得到显著提高。PIC粒子模拟结果表明:在电子注电压25 kV、电流4 A、纵横速度比1.6、工作磁场1.72 T时,回旋管可获得37 kW 的输出功率,横向运动能量转换效率高达51%,器件效率为37%。     

1.8 T直流磁体94 GHz连续波二次谐波回旋管

首次实现直流磁体W波段二次谐波回旋管连续波稳定运行。回旋管工作时所需1.8 T磁场由一个水冷直流线圈产生。直流线圈励磁电流为500 A,功耗28 kW,内孔直径66 mm,可直接将回旋管插入内孔中。回旋管内电子束由双阳极磁控注入电子枪产生。采用高效率内置准光模式变换器实现束波分离并输出准高斯波束。研制的回旋管工作频率为94.08 GHz,腔内工作模式为TE₀₂。实验中成功实现5 min连续稳定运行,输出功率达到12 kW。电子束电压为45 kV,电流1.7 A,对应的输出效率15.7 %。     

206 GHz光子带隙谐振腔回旋管

分析了光子晶体谐振腔的模式选择功能,实现光子晶体谐振腔回旋管振荡器高阶电磁模与高次电子回旋模的有效耦合,并成功抑制了模式竞争。通过对光子晶体谐振腔禁带特性的分析,定出了工作模式为TE23模,还建立了光子晶体谐振腔回旋管的等效半径的概念,设计了自洽非线性理论和相关的计算机数值模拟程序。研究发现TE23模能有效地与电子的二次回旋谐波相互作用,其耦合频率为206 GHz,并极大地降低了对工作磁场的要求。在考虑诸多物理因素影响的情况下,对该二次谐波光子带隙谐振腔(PBGC)回旋管振荡器进行了参数优化,得到了电压40 kV、电流4.2 A、磁场3.925 T、输出功率35 kW、互作用效率21%的二次谐波TE23模PBGC回旋管振荡器。     

206 GHz光子带隙谐振腔回旋管

分析了光子晶体谐振腔的模式选择功能,实现光子晶体谐振腔回旋管振荡器高阶电磁模与高次电子回旋模的有效耦合,并成功抑制了模式竞争。通过对光子晶体谐振腔禁带特性的分析,定出了工作模式为TE23模,还建立了光子晶体谐振腔回旋管的等效半径的概念,设计了自洽非线性理论和相关的计算机数值模拟程序。研究发现TE23模能有效地与电子的二次回旋谐波相互作用,其耦合频率为206 GHz,并极大地降低了对工作磁场的要求。在考虑诸多物理因素影响的情况下,对该二次谐波光子带隙谐振腔(PBGC)回旋管振荡器进行了参数优化,得到了电压40 kV、电流4.2 A、磁场3.925 T、输出功率35 kW、互作用效率21%的二次谐波TE23模PBGC回旋管振荡器。     

W波段三次谐波回旋管腔体设计

采用冷腔分析研究了带有光阑结构的开放式谐振腔中的模式竞争,设计了采用TE61模式工作的W波段三次谐波回旋管谐振腔。PIC粒子模拟结果表明:在不考虑腔壁损耗及电子注能散的情况下,采用注电压45 kV、电流3 A的电子注,可以实现三次谐波单模稳定工作,并获得约20 kW的输出功率,对应工作效率14.8%。     

W波段三次谐波回旋管腔体设计

采用冷腔分析研究了带有光阑结构的开放式谐振腔中的模式竞争,设计了采用TE61模式工作的W波段三次谐波回旋管谐振腔。PIC粒子模拟结果表明：在不考虑腔壁损耗及电子注能散的情况下,采用注电压45 kV、电流3 A的电子注,可以实现三次谐波单模稳定工作,并获得约20 kW的输出功率,对应工作效率14.8%。     

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.     

95 GHz三次谐波回旋管设计

采用线性理论和非线性理论研究了回旋管谐振腔结构、寄生模式抑制及注波互作用等问题。设计了一支工作在95 GHz的三次谐波回旋管,注波互作用结构采用标准开放式谐振单腔,工作模式为TE64, 采用电压45 kV、电流5 A、横纵速度比为1.5的小回旋电子注。在不考虑电子注速度离散及厚度的情况下,非线性理论分析表明,该回旋管可以获得14 kW功率输出,横向互作用效率约为18%,整管效率约11%。     

W波段三次谐波回旋管实验研究

国内首次成功进行W波段三次谐波回旋管实验。回旋管工作模式为TE61,磁场1.2 T,采用拍频法测定工作频率为94.86 GHz。电子束电压为45 kV时,电流1.6 ~ 4.4 A范围内都观测到了三次谐波振荡信号。采用焦热计测定最大输出功率4.9 kW,效率约 3%。     

TE_(02)模式W波段三次谐波回旋管腔体设计

设计了用于W波段三次谐波回旋管的带有iris结构的开放式谐振腔。采用低损耗圆对称模式TE_(02)工作。起振电流为2.9A,欧姆效率67%。PIC数值模拟结果表明,TE_(02)模式在iris谐振腔中可以实现稳定的W波段三次谐波单模振荡。当电压为45kV、电流为4A、横纵速度比为1.5时,可以获得25.7kW功率输出,对应的工作效率为14.3%。     

Submillimeter-wave harmonic gyrotron experiment

A theoretical and experimental investigation of the operation of a harmonic gyrotron at submillimeter wavelengths is reported. Using a waveguide cavity with an iris at the output end of the straight section, 14 different second-harmonic modes were observed with frequencies of 301-503 GHz, output powers of 1-22 kW, and a 12-MHz emission frequency bandwidth. The highest output power was 22 kW, with a total efficiency of 3.5% at 467 GHz, and an output power of 15 kW with a 6% efficiency was obtained at 417 GHz. Research was conducted using a 65-75 kV up to 10-A electron gun with a 1/1.5-μs pulse length and a 4-Hz repetition rate, which produced a helical electron beam in magnetic fields of up to 14 T. These results represent the first operation of a high-power harmonic gyrotron in the submillimeter region     

Prebunched high-harmonic gyrotron

A scheme for harmonic wave generation using a prebunched electron beam has been demonstrated. The prebunched electron beam has been used to further increase the efficiency of the authors' axis-encircling high-harmonic gyrotron. The proof-of-principle experiment was performed at the third harmonic with a TE₃₁₂ mode at 27.7 GHz. The conversion power of 6.7 kW was significantly greater than that used in the nonprebunched experiment. Also, mode competition was effectively suppressed. As expected, the unsaturated output power is proportional to the square of the electron beam current and the start of oscillation current is essentially zero. A linear theory, derived by taking into account the spread of the guiding center and the spread of the axial velocity, gives good agreement with the experimental results     

W波段连续波30 kW回旋振荡管高频系统和收集极的设计

根据回旋管的电子回旋脉塞理论,借助于编写的回旋振荡管自洽非线性注-波互作用计算程序,设计出了工作频率94 GHz、工作电压30 kV、工作电流3 A的基次谐波连续波单腔回旋振荡管,工作模式为TE02模。设计的回旋振荡管在电压30.0 kV、电流3.0 A、速度横纵比1.5的条件下,获得了31.8 kW的输出功率,电子效率约35％。利用粒子模拟仿真软件对设计的回旋管收集极辅助线包散焦系统进行了粒子模拟仿真分析,模拟结果表明：借助于辅助线包散焦系统可以有效缩短回旋振荡管的轴向尺寸,并使回旋管收集极上的电子束功率密度低于500 W/cm2; W波段回旋振荡管收集极的热测试验结果表明：利用粒子模拟仿真获得的收集极上的电子束功率密度分布与其试验测量结果比较吻合。     

Mode Selection for a Terahertz Gyrotron Based on a Pulse Magnet System

The TE_6,11 mode has been selected as a candidate for the second harmonic operation of a terahertz gyrotron at 1007.68 GHz. The predicted efficiency is 8.6 percent for the output power 0.38 kW. Time-dependent, multi-mode calculations have been carried out to investigate stability of a single-mode operation at second harmonic. It has been found that with the beam current 0.111 A and the magnetic field 19.282 T the second harmonic operation in the TE_6,11 mode is possible.