X波段相对论返波管谐振反射器

基于TPG2000强流电子束加速器和带谐振反射器的相对论返波管振荡器,开展了X波段高功率微波产生实验研究,获得了功率约2.5 GW,脉宽约20 ns的微波输出。理论分析及模拟了不同倒角大小对谐振反射器的表面电场及截止性能的影响,并对不同倒角开展了实验研究。结果表明,对谐振反射器倒角可增加输出微波脉冲宽度,且随着倒角增加,微波脉宽增加,效率略有降低。在谐振反射器倒角5 mm情况下,利用电压900 kV,电流9 kA的强流电子束,实验获得了功率约2.5 GW、脉宽大于25 ns的微波输出。     

种子注入环形腔人眼安全KTP参变振荡器的研究

利用电光调Q的Nd:YAG激光器抽运非临界相位匹配(θ=90°,φ=0°)环形腔KTP光学参变振荡器(OPO),实现了高能量人眼安全波段的1.57μm激光输出。理论与实验结果表明,减小谐振腔长度和注入种子源激光可以有效降低阈值,提高输出能量。当Nd:YAG激光器抽运能量为88mJ时,注入种子源功率由0mW增加到6mW,输出能量由8.8mJ增加到14mJ。当抽运能量为167.7mJ,注入种子源功率达到6mW时,最大输出能量达到46mJ,峰值功率7.44MW。     

一种高功率掺铒光纤超荧光光源

通过优化掺铒光纤各种参量,用一个980 nm激光二极管作抽运源,采用单程结构,在一根光纤后向获得功率高达31.74 mW(15.02 dBm)的C-波段ASE输出的同时,其前向得到了功率为10.14 mW(10.06 dBm)的L-波段ASE输出.通过简单连接组合可得到输出覆盖C＋L波段(1525~1620 nm)功率＞36 mW的掺铒光纤宽带光源.     

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。     

X波段GW级长脉冲高功率微波源的设计与实验

通过理论分析指出,单模相对论返波振荡器内的平均场强正比于其工作频率,工作在高频段难以实现长脉冲运行。采用电磁场仿真方法,比较了X波段单模和过模慢波结构的场分布特点,结果表明:增加过模比能有效减小慢波结构表面的射频场强,但由于场分布变化导致场强的减小与过模比的增加相比并不显著。利用过模比约为3的慢波结构设计了一种X波段长脉冲高功率微波源。实验中,在单次运行条件下,输出微波功率达到2 GW、脉宽80 ns;在20 Hz重复频率运行条件下,输出微波功率达到1.2 GW、脉宽100 ns。器件产生的微波频率为9.38 GHz,主模为TM01,效率约24%。微波窗口和慢波结构表面的射频击穿是目前实验中限制微波功率和脉宽增加的关键因素。     

中物院高功率THz FEL装置的理论分析和优化设计

在1~3 THz频段内设计了11个分点频率,对每一频率的对应的场强和电子束能量进行了选取和计算。模拟结果表明:采用目前参数基本能够达到设计要求;辐射频段在2.6 THz附近时装置输出功率和增益都比较高,可以先锁定这个频段附近进行实验的调试;在长波段即1 THz左右时,滑移效应显著,腔增益和输出功率较低,实验实现比较困难,因此在1 THz频段附近必须积极想办法来提高输出功率。     

自主研制的976 nm波段光纤激光器实现500 W量级功率输出

正976 nm波段掺镱光纤激光器因其在高功率光纤激光器和新型波段固态激光器等领域具有重要的应用前景,因而受到广泛关注。不过,由于其三能级跃迁特性,该激光器的功率拓展受到泵浦阈值高、放大自发辐射强等物理因素的制约,要实现高功率输出难度较大。国际上,该激光器已报道的最高功率为151 W。国防科技大学针对影响该激光器功率提升的核心限制因素开展了研究,2021年利用自主研制的976 nm波段光纤激光器,国际上首次实现了500 W量级功率输出。     

基于过模波导的高功率微波准相干功率合成器

研究了一种用于功率合成的GW级高功率微波功率合成器。该合成器工作在X波段,输入微波由2路工作频率不同的X波段的微波源产生。为了满足输出功率和功率容量的要求,用于功率合成的微波源工作段波导的过模因子为12.7,这给功率合成器的设计带来了一定的困难。着重讨论了如何利用过模波导设计X波段高功率合成器,研究了如何抑制过模波导的高次模式并提高其功率容量和传输效率。设计的功率合成器单路传输效率达到99.0%以上,允许的最大输出功率达到5.6 GW以上,还可以按照需求适当增大高度,以进一步提高其功率容量而不影响传输效率。     

W波段具有开放式圆柱光栅的三反射球镜准光腔辐射源

 为设计输出高功率、高频率的W波段辐射源提供一个可行的方案,对一种具有开放式圆柱光栅的三反射球面镜准光腔大功率辐射源,在理论计算和PIC模拟仿真的基础上,完成了理论设计,装配出实验系统,并进行了热测实验。实验中采用了束流脉宽为70 ns的环形电子注,引导磁场为2.2 T,二极管电压为557 kV,电流约为1.8 kA,实验测得在W波段有1.2 MW的峰值功率输出。     

新颖的双通道输出高功率掺铒光纤宽带光源

在分析L波段放大自发辐射(ASE)谱产生原理的基础上,设计出一种新颖的双级结构掺铒光纤ASE宽带光源,该光源可在两个端口分别输出高功率的C波段和L波段的ASE谱.设计将C波段ASE谱注入到掺铒光纤中作为L波段ASE谱的二次抽运源,使得L波段ASE谱功率得到了有效提高.优化光源结构参量后从两个端口分别获得了12.97 dBm和12.81 dBm的C波段和L波段ASE宽带谱.将两个输出端口组合得到了功率为15.9 dBm,泵浦转换效率达到21.6%的C+L波段超宽带ASE光源.     

高电压运行的高效率磁绝缘线振荡器设计

为追求更高的输出功率和效率,在理论分析的基础上,采用理论和PIC数值模拟相结合的方法设计了较高工作点电压（700 kV）的磁绝缘线振荡器模型,数值模拟结果表明:当输入电压为695 kV、输入功率为55.7 GW时,输出周期平均功率为11.2 GW,效率为20.1%;与以往低工作点的磁绝缘线振荡器相比, 效率较高,且和低工作点的器件只在最佳工作点处取得最大效率不同,本器件随着电压升高,效率进一步提高。     

L波段MILO低真空下工作特性的粒子模拟与实验研究

 通过实验和粒子模拟相结合的方法对L波段MILO在低真空度下的工作特性进行了研究。实验和模拟中都观察到了低真空情况下MILO的功率增强和频率升高，在2 Pa内，粒子模拟中没有观察到脉冲缩短现象，实验上脉宽略有下降，但是辐射微波单脉冲能量增大，MILO工作性能在低真空下有一定提高。研究发现适量等离子体填充同样可以改善MILO工作性能。     

S波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

 设计了一种阶梯阴极型S波段磁绝缘线振荡器，通过对其色散关系的研究，选择了合理的结构参数。通过对开放腔模型的分析，得到了磁绝缘线振荡器的谐振频率和有载品质因数。粒子模拟表明，在外加电压523 kV、束流49.7 kA时，微波输出功率4.35 GW，频率2.10 GHz，功率转换效率16.7%。     

L波段紧凑型TEM-TE11模式转换器

设计了一种适用于窄带高功率微波源系统的紧凑型TEM-TE11模式转换器。该结构首先将同轴波导沿角向分区使微波在各分区内相位传播常数不同,然后将相位传播常数较大的分区进行横向折叠设计以缩短系统轴向长度。分区传播的微波在模式转换器末端相位差达到180时,合成同轴波导中TE11模式。为L波段磁绝缘振荡器设计了模式转换器,并采用数值仿真程序进行计算,在1.31 GHz中心频率上,模式转换器转换效率为95%;在1.23~1.40 GHz频率上,模式转换器效率大于90%,相对带宽13%。将模式转换器应用于磁绝缘振荡器,并测量了天线的定向辐射能力,所得结果与设计一致。     

高效率磁绝缘线振荡器的设计和数值模拟

 运用2维全电磁粒子模拟程序,综合硬管磁绝缘线振荡器和渐变型磁绝缘线振荡器的优点,设计了具有较易起振和较高效率L波段磁绝缘线振荡器。在普通L波段MILO的基础上,主要进行了两个方面的改进,一是将磁绝缘二极管设计为轴向,即绝缘磁场主要由阴极端面发射的电流提供,二极管间隙为2.2 cm;二是增加慢波结构叶片数目,加入渐变叶片结构,形成渐变MILO模型,叶片总数为13。并针对矩形和具有慢上升前沿的脉冲电压波形分别进行了输出腔、叶片等的优化。两种优化模型在输入电压500~600 kV时,在L波段都获得输出周期平均功率超过5 GW、效率大于20%的微波输出。并对实验中可能产生的射频击穿的问题,提出采用对扼流片尖端进行倒角处理以降低场强。模拟表明,该方法对输出功率和效率影响不大,但有效减小了击穿压力。     

磁绝缘线振荡器谐振腔的高频特性研究

 利用数值方法计算了磁绝缘线振荡器(MILO)主慢波结构谐振腔和扼流腔的谐振频率和场分布。结果表明：当主慢波结构腔内半径为4.6 cm,扼流腔内半径为4.2 cm,阴极半径为3 cm时,MILO工作在3.6~4.4 GHz频率范围,扼流片可以阻止微波功率向脉冲功率源泄漏,这有利于提高器件微波输出的功率;4.5~4.9GHz频段为慢波结构的阻带,微波在该频段截止。计算了C波段MILO开放腔的谐振频率,当模式分别为3π/8,π/2,5π/8,3π/4时,其谐振频率分别为3.18,3.76,4.00,4.11 GHz;并通过实验测出了开放腔的谐振频率,其相应的值分别为3.80,3.94,4.08.4.18 GHz, Q分别为194,143,231,468。数值计算的谐振频率与实验测出的频率基本一致。     

改进型磁绝缘线振荡器的设计和数值模拟

 综合两种现有磁绝缘线振荡器的优点，对器件进行改进，将双渐变结构、轭流片和阻抗渐变三种增大功率的机制综合考虑，利用二维半全电磁PIC程序进行数值模拟，设计了一种新的改进型磁绝缘线振荡器，当外加电压为550kV，电流为35kA左右时，在L波段获得了6GW的峰值输出功率。     

P波段混合型MILO的粒子模拟

 结合负载限制型磁绝缘线振荡器(MILO)和渐变型MILO的特点提出并设计了P波段混合型MILO的结构，主要以负载限制型MILO结构作为雏形，将其内部仅含有的1根提取叶片用3根长度渐变的慢波叶片组成的渐变段替换。该结构可更好地实现束波相互作用，并使提取间隙电场与MILO输出同轴结构处的电场达到更好的匹配，增加微波输出功率。器件纵向总长度为47 cm，外筒直径为44 cm。优化后的2.5维全电磁粒子模拟结果表明：在二极管工作电压550 keV、电流约57 kA的情况下，输出微波的中心频率为640 MHz，平均功率为4.27 GW，束波转换效率为13.6％，器件4 ns时起振，6 ns达到饱和，且微波输出功率十分稳定，最终输出微波模式为TEM模。     

平面磁绝缘线振荡器的作用机理及模拟设计

针对当前高功率微波(HPM)中的热点器件磁绝缘线振荡器(MILO) 频率低、效率低等问题,提出了一种可以沿x方向平面展开的平面MILO。该器件也是一种低阻抗高功率微波器件,通过一个低外加磁场来代替常规MILO中的磁绝缘电流,辅助实现器件的磁绝缘,从而实现器件效率的提高。结合PIC模拟,建立一个外加低磁场的C波段平面MILO,并根据其慢波结构(平面折绉表面)特点给出相应的色散曲线,确定微波器件工作点,利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟,在输入为4.0 GW电功率(工作电压约800 kV)的条件下,模拟得到频率为6.56 GHz的微波输出,通过优化外加磁场,使得模拟微波输出功率达到1.22 GW,功率效率在C波段条件下超过30%。     

L波段硬管磁绝缘线振荡器的研制

 对L波段磁绝缘线振荡器(MILO)的二极管进行了研究，优化了器件的设计，以及辐射天线一体化的设计，研制出了L波段硬管 MILO。硬管MILO的实验结果是：在电压为450 kV、电流为35 kA的条件下，L波段硬管 MILO的输出微波频率为1.22 GHz，功率大于1.5 GW，微波脉宽半高宽约20 ns，功率效率约10%；硬管MILO的保真空时间超过了5 h。