94 GHz缓变结构回旋管设计与数值模拟研究

通过分析广义传输线理论中的模式耦合系数,优化设计了一支94 GHz光滑缓变结构回旋管,当电子注电压50 kV,电流6 A,横纵速度比1.4,工作磁场3.548 5 T时,在频率94.099 GHz处得到了41%互作用效率,约120 kW的功率输出;与折变结构回旋管相比,缓变结构回旋管中的工作模式纯度提高约27 dB,注波互作用效率提高约7%。基于自洽非线性理论计算的互作用效率与PIC模拟结果有较好的一致性。     

94GHz缓变结构回旋管设计与数值模拟研究

通过分析广义传输线理论中的模式耦合系数,优化设计了一支94GHz光滑缓变结构回旋管,当电子注电压50kV,电流6A,横纵速度比1.4,工作磁场3.548 5T时,在频率94.099GHz处得到了41%互作用效率,约120kW的功率输出;与折变结构回旋管相比,缓变结构回旋管中的工作模式纯度提高约27dB,注波互作用效率提高约7%。基于自洽非线性理论计算的互作用效率与PIC模拟结果有较好的一致性。     

回旋管同轴谐振腔模式的选择

 为了研究回旋管工作模式的选择机理,分析了圆柱波导开放式谐振腔、光滑同轴谐振腔和纵向内开槽同轴谐振腔相应波导的色散特性,进而研究了这些谐振腔内模式竞争的问题。对同轴结构波导色散方程作了相应的数值计算,结果表明,同轴谐振腔利用自身色散曲线与谐振腔内外半径比值的数值关系,能够使在开放式谐振腔内无法工作的高阶模式在其内部稳定工作。最后,以德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)研制的同轴回旋管为例,进行了相应的分析计算,结果表明纵向内开槽同轴谐振腔相对于光滑同轴谐振腔更适合高阶模式的稳定工作。     

回旋管同轴谐振腔模式的选择

为了研究回旋管工作模式的选择机理,分析了圆柱波导开放式谐振腔、光滑同轴谐振腔和纵向内开槽同轴谐振腔相应波导的色散特性,进而研究了这些谐振腔内模式竞争的问题。对同轴结构波导色散方程作了相应的数值计算,结果表明,同轴谐振腔利用自身色散曲线与谐振腔内外半径比值的数值关系,能够使在开放式谐振腔内无法工作的高阶模式在其内部稳定工作。最后,以德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)研制的同轴回旋管为例,进行了相应的分析计算,结果表明纵向内开槽同轴谐振腔相对于光滑同轴谐振腔更适合高阶模式的稳定工作。     

回旋管光子带隙谐振腔冷腔电磁模式分析

利用二维三角格子金属光子带隙谐振腔代替回旋管的传统柱形谐振腔,并对腔体进行了TE波模式的计算与分析.综合考虑腔体内外的结构特征,给出了光子带隙谐振腔冷腔模式理论的研究方法,发现腔内存在单模工作的可能与条件以及非角对称情况下的电磁模式分布特征.研究结果表明,利用光子带隙谐振腔代替回旋管的传统腔体,可使回旋管在不受腔体横向尺度限制的条件下实现单模工作.这对于提高回旋管的功率容量、有效实现高次单模与高次回旋谐波耦合条件下的注-波互作用、降低工作磁场并从物理上根本改变回旋管的工作状态提供了理论依据. 关键词： 回旋管 金属光子带隙 谐振腔     

220 GHz三次谐波光子带隙谐振腔回旋管振荡器的研究

提出了一种220 GHz三次谐波光子带隙谐振腔回旋管振荡器的物理结构.利用光子晶体高频带隙确定了回旋管高阶电磁模式类TE63和三次电子回旋模的互作用状态.通过非线性理论,研究了腔内类TE63和类TE92模的弱模式竞争,得到了有利于回旋管三次谐波起振的工作条件和起振过程的非线性特征,其结果与粒子模拟基本一致.研究表明,利用光子带隙谐振腔的禁带特征,回旋管中高阶电磁模与高次电子回旋模能够发生有效的互作用关系被得到证实.     

复合腔回旋管高频结构

为了提高回旋管的工作效率,高频结构中的模式之间的竞争是急需解决的问题。从模式耦合理论出发系统地研究了回旋管中过渡渐变复合腔的高频场结构,同时考虑了TM型寄生模式对工作模式的影响。通过对耦合系数的分析,为了降低模式之间的耦合程度,采用曲线作为回旋管中高频结构的渐变段。用三维电磁仿真软件和自主开发的程序对高频结构进行计算。计算结果与传统的线性渐变段谐振腔相比,采用非线性类型的谐振腔具有更强的模式抑制能力,并且该类型腔体中能够激励起更强的场幅值。     

复合腔回旋管高频结构

为了提高回旋管的工作效率,高频结构中的模式之间的竞争是急需解决的问题。从模式耦合理论出发系统地研究了回旋管中过渡渐变复合腔的高频场结构,同时考虑了TM型寄生模式对工作模式的影响。通过对耦合系数的分析,为了降低模式之间的耦合程度,采用曲线作为回旋管中高频结构的渐变段。用三维电磁仿真软件和自主开发的程序对高频结构进行计算。计算结果与传统的线性渐变段谐振腔相比,采用非线性类型的谐振腔具有更强的模式抑制能力,并且该类型腔体中能够激励起更强的场幅值。     

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。     

Resonant frequencies of a rising-sun gyrotron cavity

New resonant frequency calculations for a tunable gyrotron cavity with a magnetron-like rising-sun cross-section give results that are measurably different from those found by the traditional method, especially as the wavelengths become short enough for the radial slots to support higher-order modes. Moreover, in many instances a large fraction of the microwave field energy resides in these slot modes and as a result any gyrotron interaction is expected to be small.     

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.     

Design of a new cavity for a low-power tunable gyrotron

A new cavity design for a tunable gyrotron, with reduced mode conversion over a broad frequency range, is described. With most of the output power in the same mode as that in the cavity, there will be no need to adjust the position and orientation of the elements of the quasioptical antenna whenever the frequency is changed.     

光子带隙谐振腔回旋管振荡器的自洽非线性理论

定义了光子带隙谐振腔(photonic-band-gap cavity, PBGC)的等效半径,论证了使用该半径将PBGC等效为具有模式选择性的金属圆柱谐振腔的有效性,揭示了其在PBGC设计过程中的指导性作用.基于等效半径的运用,建立起光子带隙谐振腔回旋管振荡器(PBG回旋管)的自洽非线性理论,并对工作于TE₃₂模的PBG回旋管作了理论分析和数值计算.目前的研究表明:高频电磁场沿角向呈行波或驻波的不同极化形式对PBG回旋管的注-波互作用过程具有较大的影响;较之电子回旋基波,该器件中二 关键词： 光子带隙谐振腔 等效半径 回旋管 自洽非线性理论