超辐射机制相对论返波管的数值计算

运用相对论返波管非线性理论,推导出描述相对论返波管束波互作用的非线性自洽方程组;数值求解了该非线性自洽方程组,揭示了相对论返波管中由非稳态束波互作用产生的超辐射现象的基本规律：输出超辐射波峰值功率大约与参与互作用电子总电荷量的平方成正比。并将超辐射和由稳态束波互作用所产生的受激辐射作了相关比较,结果表明：超辐射是短电子束脉冲产生非稳态束波互作用的结果,而受激辐射是长电子束脉冲产生稳态束波互作用的结果;不断增加电子束脉冲宽度,辐射机制由超辐射转变为受激辐射。     

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。     

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.     

相对论速调管中间腔与调制电子束间的非线性互作用

在强流相对论电子束驱动的相对论速调管放大器中, 由于强流和高场强的影响, 尤其是中间腔具有高Q值, 微波腔与电子束之间的非线性作用很明显, 严重影响器件性能. 根据麦克斯韦方程组以及电子在微波场作用下运动方程给出了中间腔的束-波互作用自洽方程. 从这些方程出发, 研究了调制深度和调制频率对间隙电压幅度和相位的影响. 对比常规速调管的等效电路模型, 自洽公式给出的间隙电压幅值同粒子模拟结果更接近, 尤其是较高调制深度的情况. 同时器件带宽随调制深度的增加而变宽, 这也同粒子模拟结果一致. 由此设计了一个S波段高增益相对论放大器, 在LTD (长脉冲螺旋线)加速器上开展了相应的实验工作, 实验上获得了1.1 GW的输出功率, 器件增益49 dB. 关键词： 相对论速调管 非线性互作用 自洽方程     

速调型相对论返波管理论研究

对速调型相对论返波管慢波结构色散特性及束波相互作用进行了理论研究。色散特性研究表明：器件工作模式为TM01模,近点,耦合阻抗较高。色散特性预测的工作频率与粒子模拟结果非常接近。慢波结构峰值增长率相对较小,这与电子束与慢波结构相距较大有关,因而器件从起振到饱和的时间较长。在束波相互作用理论中,全面考虑了电子束与慢波结构前向波基波、反向波－1次空间谐波及空间电荷场相互作用、谐振反射器对电子束进行的束流调制和能量调制作用,以及调制腔和提取腔处引入的耦合阻抗及轴向波数突变。稳态和非稳态计算结果均获得了超过40%的束波转换效率。     

速调型相对论返波管理论研究

对速调型相对论返波管慢波结构色散特性及束波相互作用进行了理论研究。色散特性研究表明:器件工作模式为TM01模,近点,耦合阻抗较高。色散特性预测的工作频率与粒子模拟结果非常接近。慢波结构峰值增长率相对较小,这与电子束与慢波结构相距较大有关,因而器件从起振到饱和的时间较长。在束波相互作用理论中,全面考虑了电子束与慢波结构前向波基波、反向波－1次空间谐波及空间电荷场相互作用、谐振反射器对电子束进行的束流调制和能量调制作用,以及调制腔和提取腔处引入的耦合阻抗及轴向波数突变。稳态和非稳态计算结果均获得了超过40%的束波转换效率。     

充中性气体相对论返波振荡器的粒子模拟研究

 用PIC粒子模拟方法研究了充中性气体相对论返波管的物理机制，成功模拟了电子束碰撞充入返波管中的中性气体电离产生等离子体的过程，在电子束传输的路径上形成离子通道，有效中和电子束径向空间电荷力，有利于电子束的传输及束波相互作用产生微波。增加中性气体密度，返波管的输出频率明显上移，其辐射的功率和效率比相同的真空器件也有明显的提高。     

耦合阻抗单阶跃变型相对论返波管的研究

 建立了非均匀耦合阻抗相对论返波管的非线性理论,模型中计及了慢波结构两端口对电磁波的反射效应,正向波基波与注电子的非同步互作用效应。应用全电磁粒子模拟程序对器件中注波互作用过程及性能进行了数值模拟和优化,报道了X波段耦合阻抗单阶跃变型相对论返波管实验结果。     

内开槽螺纹回旋行波管线性理论研究

基于耦合波理论，运用阻抗微扰法得到了内开槽螺纹波导的色散方程及耦合条件，并从相对论电子运动方程入手得到了自洽非线性方程组，通过一阶线性近似导出了注-波互作用线性关系及色散方程.运用数值计算及3维粒子模拟软件冷腔分析对该波导冷腔色散特性及注-波互作用色散特性进行了研究. 关键词： 内开槽螺纹波导 阻抗微扰 线性理论 自洽非线性方程组     

充中性气体相对论返波振荡器的粒子模拟研究

用PIC粒子模拟方法研究了充中性气体相对论返波管的物理机制,成功模拟了电子束碰撞充入返波管中的中性气体电离产生等离子体的过程,在电子束传输的路径上形成离子通道,有效中和电子束径向空间电荷力,有利于电子束的传输及束波相互作用产生微波。增加中性气体密度,返波管的输出频率明显上移,其辐射的功率和效率比相同的真空器件也有明显的提高。     

Coaxial Relativistic Backward Wave Oscillator and Coaxial Master Oscillator-Power Amplifier

A two and one half dimensional particle-in-cell code MAGIC has been used to investigate the nonlinear beam-wave interaction in a coaxial relativistic backward wave oscillator(RBWO) and optimize the dependence of the output power on electron beam nature parameter, slow wave structure geometry and magnetic guide field. The optimum conditions for the coaxial RBWO were obtained. The simulation results show: the coaxial RBWO can generate 3.2GW peak output power at 10.2GHz in the TM₀₂ made when an annular electron beam of 20KA is accelerated across a diode potential of 600KV and guided through a section of uniform coaxial corrugated waveguide by an axial magnetic field of 25KG, the peak efficiency is about 27% . A novel coaxial master oscillator–power amplifier was presented in this paper.     

中等能量P波段相对论返波振荡器的理论设计与粒子模拟

提出了一种新型的中等能量P波段相对论返波振荡器,该器件将慢波结构由低波段普遍采用的同轴外波纹结构变为同轴双波纹结构,使得径向束-波作用空间扩大了2倍,一定程度上增加了器件的功率容量;另外同轴双波纹结构还较大提高了器件的时间增长率,从而有效地减小了微波输出饱和时间.经优化设计,该结构在二极管电压300 kV、电流3 kA...     

宽间隙反射器相对论返波管同频高阶模式抑制

实现输出模式控制和纯化是过模相对论返波管振荡器物理设计的关键。结合数值仿真和粒子模拟,对一种宽间隙反射器过模相对论返波管内的同频高阶模式激励及其抑制进行了研究,结果表明：模式转换和激励是同频高阶模式的直接来源,合理优化慢波结构、反射器和二极管参数,抑制由工作模式向高阶模式的转化效率,调整由二极管区反射回束波互作用区的模式相位,实现了过模相对论返波管的高效率工作和高模式纯度微波输出;所设计的宽间隙反射器过模相对论返波管输出微波功率中TM01模式的比例高于98%,功率转换效率约40%,工作频率为9.87 GHz。     

宽间隙反射器相对论返波管同频高阶模式抑制

实现输出模式控制和纯化是过模相对论返波管振荡器物理设计的关键。结合数值仿真和粒子模拟,对一种宽间隙反射器过模相对论返波管内的同频高阶模式激励及其抑制进行了研究,结果表明:模式转换和激励是同频高阶模式的直接来源,合理优化慢波结构、反射器和二极管参数,抑制由工作模式向高阶模式的转化效率,调整由二极管区反射回束波互作用区的模式相位,实现了过模相对论返波管的高效率工作和高模式纯度微波输出;所设计的宽间隙反射器过模相对论返波管输出微波功率中TM01模式的比例高于98%,功率转换效率约40%,工作频率为9.87GHz。     

低磁场S波段相对论返波振荡器的工作特性

为了实现高功率微波发生器的小型化,开展了S波段低磁场相对论返波振荡器工作特性的研究工作。由于S波段返波振荡器频率低,对应的电子回旋共振磁场强度也很低,因此低磁场条件下面临着电子束传输效率低和束波互作用效率低两大问题。为解决上述问题,采取下列措施：通过加大电子束与器件内壁的距离,提高电子束传输效率;采用较深的慢波结构作为提取腔,实现高束波互作用阻抗;提取腔前采用浅深度慢波结构,使提取腔区域的电子速度与微波相速同步。粒子模拟证明,以上措施有效,在引导磁场强度仅为0.17 T、电子束电压435 kV、电流6.5 kA的条件下,该返波管获得功率为670 MW、效率约为25%的输出微波。相对于常规S波段相对论返波振荡器的磁场系统(B=0.8 T),适用于该返波管的0.17 T低强度磁场系统螺线管外半径下降了20%,能耗下降了约93.8%。     

相对论返波管注-波作用不稳定区的研究

 以环形电子注驱动的、正弦型周期慢波结构的相对论返波管（RBWO）为模型,理论推导出RBWO慢波结构的色散方程,画出了不包括和包括电子注的色散曲线,然后采用在复平面上绘制等高线图进行逼近的方法对注-波作用不稳定区工作频率的实部和虚部进行了求解,绘出了完整的包括电子注的慢波结构色散关系曲线,并估算了微波的时间增长率和能量转换效率。研究得出：当a（电子注电流参数）较大时,电磁波与慢电荷波的相互作用是不稳定的;而在a较小时,注-波相互作用具有明显的三波作用的特点;微波增长是通过注-波不稳定作用引起的;随着a的增大,微波时间增长率先增大后减小,在a为0.02时有最大值1.37,此时的能量转换效率为19%;增大电子注半径或慢波结构的波纹深度都可以增强注-波不稳定作用。     

回旋速调管注波互作用瞬态非线性理论与模型研究

本文利用自洽非线性理论对回旋速调管放大器中的电子注-波互作用进行了时域瞬态分析,建立了多腔回旋速调管非线性理论,给出了相应的电子运动方程和复数形式的互作用瞬态场方程.探讨了调制腔、中间腔、和输出腔中注-波互作用的模型和研究方法,考虑了电子速度零散对注-波互作用的影响.最后利用FORTRAN语言给出并分析了一支Kα波段四腔回旋速调管注-波互作用的数值计算结果,经与实验值和PIC模拟结果相比较,三者较为符合. 关键词： 回旋速调管 电子注-波互作用 瞬态非线性理论     

等离子体-腔混合模耦合腔行波管非线性注-波互作用分析

 用模式展开的方法分析了等离子体-腔混合模耦合腔行波管的非线性注-波互作用过程，导出了其考虑相对论效应的非线性注-波互作用自洽工作方程组。用格林函数法求解各向异性背景等离子体（介电常数张量）下的空间电荷场。编写了计算机模拟软件，用来分析等离子体-腔混合模耦合腔行波管的增益、效率、输出功率、瞬时带宽等重要的非线性特性，计算结果表明：工作在等离子体-腔混合模式下的耦合腔行波管，瞬时带宽达到20%~30%，效率达到50%以上。