谐波回旋速调管的效率优化

推导出了由两个无量纲量群聚系数与相位系数构成的非线性运动方程,并对其进行了数值计算分析。数值计算结果表明:通过优化设计参数,当谐波回旋速调管工作在放大区时,其基波、二次谐波、三次谐波、四次谐波的纵向互作用效率分别可达到55%,40%,30%,15%;当其工作在振荡区时,其基波、二次谐波、三次谐波、四次谐波的纵向互作用效率最高分别可达到93.9%, 88.2%, 81.8%, 62.7%。     

谐波回旋速调管的效率优化

推导出了由两个无量纲量群聚系数与相位系数构成的非线性运动方程,并对其进行了数值计算分析。数值计算结果表明:通过优化设计参数,当谐波回旋速调管工作在放大区时,其基波、二次谐波、三次谐波、四次谐波的纵向互作用效率分别可达到55%,40%,30%,15%;当其工作在振荡区时,其基波、二次谐波、三次谐波、四次谐波的纵向互作用效率最高分别可达到93.9%, 88.2%, 81.8%, 62.7%。     

8 mm二次谐波回旋速调管非线性分析

 对8 mm二次谐波回旋速调管中的注-波互作用,进行了PIC模拟计算,得到了高频结构尺寸、电子注参数、聚焦磁场等参数对输出功率、效率和增益的影响规律。在磁场系数0.511 8,电子注电压70 kV,电子注电流约16 A,输入功率约80 W时,得到约430 kW的输出功率,电子转化效率38%,超过37 dB的增益,3 dB带宽超过210 MHz。     

Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的输出特性

根据谐波回旋速调管放大器的注-波互作用特点,对Ka波段二次谐波三腔回旋速调管放大器的输出腔进行了数值模拟和优化设计,获得了输出腔末端高频波绕射输出孔径和腔体绕射Q值的对应关系。通过PIC粒子模拟,分析了该放大器的频率响应特点等输出特性。结果表明,在35 GHz频率,磁场0.685 T,电子注电压70 kV,电流15 A,横纵速度比为1.45,输入功率1.6 kW时,放大器可以获得超过220 kW的峰值输出功率、约22%的效率和23 dB的增益,3 dB带宽可达到110 MHz。     

Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的输出特性

 根据谐波回旋速调管放大器的注-波互作用特点,对Ka波段二次谐波三腔回旋速调管放大器的输出腔进行了数值模拟和优化设计,获得了输出腔末端高频波绕射输出孔径和腔体绕射Q值的对应关系。通过PIC粒子模拟,分析了该放大器的频率响应特点等输出特性。结果表明,在35 GHz频率,磁场0.685 T,电子注电压70 kV,电流15 A,横纵速度比为1.45,输入功率1.6 kW时,放大器可以获得超过220 kW的峰值输出功率、约22%的效率和23 dB的增益,3 dB带宽可达到110 MHz。     

94 GHz渐变复合腔二次谐波回旋管的设计

根据注-波互作用自洽非线性理论,编写了分析渐变复合腔的计算程序,通过该程序,获得了工作模式对为TE021-TE031的注-波互作用腔体和相关电磁参量的优化结果。应用粒子模拟软件对设计的复合腔进行了模拟,模拟与数值计算结果基本一致。根据计算结果研制了二次谐波回旋管,在加速电压57.5 kV、电流10 A下,测得其工作频率为94 GHz,输出模式为TE01,峰值功率和效率分别为156 kW和27.1%。计算、模拟和实验结果基本一致。     

94GHz渐变复合腔二次谐波回旋管的设计

根据注-波互作用自洽非线性理论,编写了分析渐变复合腔的计算程序,通过该程序,获得了工作模式对为TE021-TE031的注-波互作用腔体和相关电磁参量的优化结果。应用粒子模拟软件对设计的复合腔进行了模拟,模拟与数值计算结果基本一致。根据计算结果研制了二次谐波回旋管,在加速电压57.5kV、电流10A下,测得其工作频率为94GHz,输出模式为TE01,峰值功率和效率分别为156kW和27.1%。计算、模拟和实验结果基本一致。     

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。     

回旋速调管放大器注-波互作用分析

 给出了自洽非线性大信号理论分析方法,在理论分析和高频计算的基础上,建立了回旋速调管放大器注-波互作用计算模型,对其进行数值计算。研究多种参量对放大器输出功率、增益、效率等的影响,通过优化得到了中心频率34 GHz的四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟表明：在工作电压65 kV,注电流8 A,电子注横向与纵向速度比为1.5时,输出功率230 kW,带宽230 MHz,电子效率45%,饱和增益33 dB。     

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。     

Kα波段TE01模基波回旋速调放大器的设计与实验

在回旋速调放大器自洽非线性大信号理论分析和数值计算的基础上,给出了一支Kα波段TE₀₁模4腔基波回旋速调放大器的设计方案,并完成了样管的研制.同时对样管进行了热测实验,得到了如下实验结果:注电压为70 kV,电流为10 A,输入功率为60 W,磁场强度1.31 T,中心频率34 GHz,峰值功率245 kW,平均功率大于3 kW,增益36.1 dB,效率 35%,3 dB带宽大于280 MHz. 关键词： 回旋速调放大器 注-波互作用 群聚腔 输入腔     

回旋速调放大器输入谐振腔分析及数值模拟

输入谐振腔将波导输入的高频信号转化为内腔中工作模式的驻波场,以实现对回旋电子注角向速度的调制。对输入谐振腔的同轴谐振腔和两端开孔的圆柱谐振腔分别进行了解析分析,数值计算中引入修正来反应耦合狭缝的影响,几min就能完成一种结构尺寸的计算分析。通过优化得到输入谐振腔的初步结构和尺寸,然后利用三维高频分析软件HFSS进行精确的模拟和修正,提高模式转化效率和纯度,获得了高性能的输入谐振腔。     

回旋速调放大器输入谐振腔分析及数值模拟

 输入谐振腔将波导输入的高频信号转化为内腔中工作模式的驻波场，以实现对回旋电子注角向速度的调制。对输入谐振腔的同轴谐振腔和两端开孔的圆柱谐振腔分别进行了解析分析，数值计算中引入修正来反应耦合狭缝的影响，几min就能完成一种结构尺寸的计算分析。通过优化得到输入谐振腔的初步结构和尺寸，然后利用三维高频分析软件HFSS进行精确的模拟和修正，提高模式转化效率和纯度，获得了高性能的输入谐振腔。     

Optimized overmoded TE01-to-TM11 mode converters for high-power millimeter wave applications at 70 and 140 GHz

Mode coupling in bent, oversized, smooth-wall circular waveguides was studied by means of numerical integration of coupled-mode differential equations in order to optimize high-power TE01-to-TM11 mode transducers at 70 GHz and 140 GHz. Such mode transformers are used in the mode conversion sequence TEOn to TE01 to TM11 to HE11 for generating the almost perfectly linearly polarized Gaussian-like HE11 mode from circular electric TEOn gyrotron modes. This quasi-optical HE11 hybrid mode is in many respects ideal for electron cyclotron resonance heating (ECRH) of magnetically confined plasmas in thermonuclear fusion research and for other technical applications. Curvature and ellipticity coupling as well as ohmic attenuation of 6 coupled modes (TE01, TM11, TE11, TE12, TE21, TM21) are included in the coupling matrices. Integral expressions were used for deriving the coupling coefficients for arbitrary modes in bent, smooth-wall waveguide. Lowest level of unwanted spurious modes together with highest transmission efficiency (shortest arc length) is achieved with sinusoidal curvature distribution instaed of constant curvature. The calculated conversion efficiencies of 98.0% at 70 GHz and 95.2% at 140 GHz (interior waveguide diameter D=27.8 mm for 200 kW transmission lines) are in excellent agreement with the measured values of (97.6±0.4)% and (95±1)%, respectively.     

Generation of the Gaussian-like HE11 mode from gyrotron TEOn mode mixtures at 70 GHz

This work reports calculations and measurements on mode converters for the transformation of TEOn gyrotron mode mixtures (primarily TEO2) into the linearly polarized HE11 hybrid mode at 70 GHz. This mode is ideal for quasi-optical launching systems for ECRH of plasmas. Mode transducers with axisymmetric radius perturbations convert the gyrotron TEOn mode composition into the TEO1 mode. Proper matching of the phase differences between the various modes and of the perturbation amplitudes of the several converter sections is required. The TEO1 wave is used for long-distance transmission through smooth-walled overmoded waveguides. A mode converter with constant diameter and periodically perturbed curvature transfers the unpolarized TEO1 mode into the polarized TE11 wave. The experimentally determined TEOn-to-TEO1 conversion efficiency is (98.5±1)% (99% predicted) while the TEO1-to-TE11 transformer has a (94±2)% efficiency (93% theoretically); ohmic losses are included. The Gaussian-like HE11 mode with axisymmetric power distribution and almost no cross polarization is produced in a circumferentially corrugated TE11-to-HE11 mode transducer with a measured conversion efficiency of (98.3±1.5)% (98.5% predicted). The overall efficiency of the complete mode converter system in the desired mode was determined to be (91±2.5)%. High-power operation (200kW, 100ms) has been successfully demonstrated.     

回旋速调管放大器注-波互作用分析

给出了自洽非线性大信号理论分析方法,在理论分析和高频计算的基础上,建立了回旋速调管放大器注-波互作用计算模型,对其进行数值计算。研究多种参量对放大器输出功率、增益、效率等的影响,通过优化得到了中心频率34 GHz的四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟表明：在工作电压65 kV,注电流8 A,电子注横向与纵向速度比为1.5时,输出功率230 kW,带宽230 MHz,电子效率45%,饱和增益33 dB。     

同轴电缆头和转接头HPM击穿现象初步分析

介绍了同轴电缆头和转接头的HPM击穿实验研究方法,给出了几种电缆头和转接头微波击穿功率随微波频率、脉冲宽度、重复频率和脉冲持续时间变化规律的实验研究结果。结果表明:微波击穿发生在同轴电缆头连接处,是电缆接头沿面滑闪,且击穿功率随同轴电缆及转接头尺寸的减小而降低;击穿功率也随微波脉冲宽度（30 ns～1 μs）的增大而减小,并且在100 ns附近有一拐点;在低重复频率（1～1000 Hz）下,重频对击穿功率的影响不大;微波频率在2.856～9.37 GHz变化时,微波频率对击穿功率的影响不明显;微波脉冲宽度较窄时（几十ns以下）,击穿功率随持续时间变化不大,脉冲宽度较宽时（百ns以上）,击穿阈值随持续时间的增大而下降。     

Analysis of a Complete Gyrotron Oscillator Using the Scattering Matrix Description

Complete harmonic gyrotron oscillators in axial arrangement including cavity, uptapers, collector waveguide and output window have been numerically simulated using a scattering matrix resonator code. The output mode purity and the influence of window reflections on the performance of a step-tunable, very high frequency gyrotron, Gyrotron FU IV A, at Fukui University was analyzed.     

X波段类周期加载微波腔的优化设计和粒子模拟

提出了一种类周期加载微波腔结构,通过理论和全电磁2.5维相对论粒子模拟程序计算,证实了电子束可以与这种谐振腔结构发生相互作用。基于该谐振腔特点,通过ASTRA程序(包含电子束自身空间电荷场的粒子运动模拟程序)设计和优化了一个X波段的类周期加载微波腔振荡器,该振荡器的束波转换效率理论值可达52%,工作频率为9.4 GHz。然后用全电磁2.5维相对论粒子模拟程序进行了进一步的优化,模拟中,输入电压700 kV,电流6.6 kA,磁场4.4 T,其输出功率为1.67 GW,束波转换效率达到36%。实验上输出微波峰值功率达到1.3 GW,脉宽26 ns,束波转换效率为26%。