变磁场回旋管物理特性的数值研究

本文用数值计算方法研究了非线性情况下,外加磁场沿轴线缓慢变化时回旋振荡管互作用的物理特性。改进了文献中使用的运动方程,使其更普适和精确。并按频率缩尺对公式进行归一化。取得典型回旋振荡管特性在外加静磁场沿轴向缓慢变化时的数值结果。讨论了变磁场回旋管效率提高的物理机理及其对回旋管工作状态的影响。制作了电子相位群聚图,得到的清晰图象说明缓变的外加磁场可以使回旋管互作用的饱和状态延迟出现。 关键词：     

毫米波自由电子激光的空间电荷效应

本文编制了三维数值模拟程序,考虑了电子在摇摆器(Wiggler)内纵向速度β^z=υ^z/c<1的影响,考虑了电子在有质动力势阱中因"群聚"而引起的纵向空间电荷力的影响,考虑了电子束内静电波和激光场、Wiggler静磁波的三波相互作用对电子位相的影响等。对因"群聚"而引起的纵向电场满足的方程求出了近似的二维解析解,用4096个电子模拟求解了电子运动方程和光场方程。数值模拟的结果和Livermore实验室的实验结果进行了比较。结果表明,由于上述几项因素的考虑,我们的数值模拟结果和实验位基本一致,消除了文献[1,2,3]中出现的失谐曲线(detuning curve)峰值磁场漂移300-500高斯的差距。     

自由电子激光放大器的理论分析

本文从单粒子模型出发,对自由电子激光放大器在小信号情形下的工作机理与参量特性进行了比较详细的分析与讨论,结果表明自由电子激光放大器实质上是电子束与快迴旋波的相互作用,而电子在轴向均匀静磁场及横向周期静磁场中运动的迴旋谐振条件对这种相互作用有重大的影响,本文对放大器的参量(如电子束的电压和电流密度、轴向及横向静磁场强度、横向静磁场波长等)与放大器的中心工作频率、放大带宽、小信号增益和放大电磁波的波数的关系进行了数值计算,并指出了最佳设计的途径,经过适当设计,自由电子激光放大器的小信号增益达到10^-2厘米^-1或1米的e倍距离并有足够的带宽是不难的。 关键词：     

慢同步波行波管特性研究

 在传统行波管的放大过程中,随着电子纵向群聚的加深,由于空间电荷效应导致的非线性效应,影响了行波管的输出性能。介绍了一种新型的行波管并分析了其作用机理,分析了这种新型行波管慢波系统的结构及其色散特性,讨论了T形齿结构和梯形齿结构慢波系统几何尺寸对工作性能的影响。通过圆极化行波的高频横向电场调制电子束,导致电子束在空间的扭转,使得电子在放大过程中没有经过纵向群聚而处于减速场中,消除了非线性效应,提高了行波管的输出性能。     

斜向磁化的YIG波导中静磁波传播特性

分析了斜向静磁场作用下磁光薄膜波导中传播的静磁正向体波特性,计算了YIG薄膜波导中静磁波传播常数以及与磁光耦合系数相联系的动态磁化强度对静磁波模数、频率和斜向场等的依赖关系.计算表明：静磁波频率f及模数m越大、磁场H_i及其偏角θ越小,静磁波传播常数K_s越大;零模静磁体波的（动态磁化强度）振幅远大于高模数的静磁体波振幅.在适当的静磁体波频率范围内,斜向偏置磁场可提高静磁体波的振幅,进而可以改善静磁波与导波光的相互作用特性和提高导波光的衍射效率. 关键词：     

电子温度各向异性对螺旋波等离子体中电磁模式的传播及功率沉积特性的影响

采用考虑粒子温度各向异性热等离子体介电张量模型,借助磁化、均匀密度分布等离子体中电磁波的一般色散关系,在低磁场、低气压螺旋波等离子体典型参量条件下,理论分析了电子温度各向异性对电磁模式传播特性和角向对称模功率沉积的影响.研究结果表明:对于给定的纵向静磁场B₀(或波频率ω),存在一个临界波频率ω_cr(或纵向静磁场B_0,cr),当ω>ω_cr(或B₀0,cr)时,电子回旋谐波遭受的阻尼开始显著增大;相比粒子温度各向同性情形,粒子温度各向异性彻底改变了波的传播特性,即相位常数和衰减常数均出现峰值现象;在考虑电子有限拉莫尔半径效应和电子温度各向异性情形下,Trivelpiece-Gould (TG)波碰撞阻尼在整个电磁波功率沉积中占据主导地位,电子纵向温度T_e,//存在某一临界值,在此临界值处TG波功率沉积出现峰值P_abs,TG,且随着T_e,⊥/T_e,//的减小,...     

斜向静磁场中光导波模式转换与衍射理论

应用经典场论和耦合模理论计算了斜向静磁场作用下，磁性薄膜波导中静磁波与导波光的相互作用.计算结果表明，与垂直静磁场情形相比，斜向静磁场时的相匹配条件有所变化，由于磁性薄膜波导中法拉第磁光效应增强等因素，导波光的Bragg衍射效率得以显著增加.这有利于应用YIG等低损耗磁性薄膜做成高衍射效率的磁光波导器件，亦有利于降低Bi∶YIG等高比法拉第旋转的磁光薄膜波导器件的体积和损耗.此外，理论指出的在斜向静磁场条件下所具有的一些磁光特性与实验结果亦符合得很好. 关键词：     

S波段多注相对论速调管放大器的数值模拟

利用3维电磁场与粒子模拟软件对S波段多注相对论速调管放大器进行了分析设计和模拟计算。通过对谐振腔本征模的计算确定腔体的冷腔高频特性,采用3维的粒子模拟软件（PIC）模拟分析速调管各腔及整管的束波互作用过程。模拟结果表明:通过引入同轴谐振腔结构,使电子注不必集中在谐振腔中心通过,降低了电场不均性对束波互作用的不利影响;通过引入多电子注,电子在相对较低的轴向聚焦磁场下依然拥有较高的通过率,降低了速调管对聚焦磁场的要求。模拟中采用3个同轴谐振腔进行束波互作用,在输入电压700 kV、束流5.8 kA和聚焦磁场0.4 T的情况下,得到了功率1.4 GW的输出微波,效率为35%。     

两种外磁场形式对介质面次级电子倍增的抑制

利用自编1D3V PIC程序,数值研究了不同外加磁场方式对次级电子倍增抑制的物理过程,给出了次级电子数目、平均能量、密度、运动轨迹、渡越时间、介质表面静电场及沉积功率等物理量时空分布关系。模拟结果表明:不同方向外加磁场抑制次级电子倍增的机理有所不同。轴向外加磁场利用电子回旋运动干扰微波电场对电子加速过程,使其碰壁能量降低以达到抑制二次电子倍增的效果;横向外加磁场利用电子回旋漂移过程中,电子半个周期被推离介质表面（不发生次级电子倍增）,半个周期被推回介质表面（降低电子碰撞能量）的作用机理,达到抑制二次电子倍增的效果。讨论了横向磁场在回旋共振下,电子回旋同步加速导致回旋半径增大,电子能量持续增加的特殊过程。两种外加磁场方式都可以通过增加磁场达到进一步抑制次级电子倍增的目的。轴向外加磁场加载容易,但对磁场要求较高;横向外加磁场需要磁场较低,但加载较为困难。     

磁光Bragg衍射中的相位失配分析

给出了任意倾斜偏置磁场作用下相位失配时微波静磁波与导波光的磁光耦合方程，分析了相位失配对导波光衍射效率及其衍射方向的影响.计算了YIG薄膜波导中静磁反向体波与导波光非共线作用的Bragg衍射效率, 传统磁化时计算结果与实验结果一致.计算表明，与传统磁化情形相比，适当的偏斜磁场可使导波光衍射效率提高6dB以上；当导波光入射角保持不变时，由磁场方向改变引起的相位失配对衍射效率的影响不大.因此，优化偏置磁场方向是改善磁光Bragg器件衍射性能、提高磁光带宽的有效方法. 关键词： 磁光效应 Bragg衍射 静磁波     

Ku波段径向线相对论速调管放大器的仿真与设计

高频段相对论速调管放大器(RKA)是近年来高功率微波领域的研究热点之一,其发展主要受限于模式竞争、相位抖动和效率偏低等问题。设计了一种径向线RKA,主要由输入腔、两组非均匀双间隙群聚腔和三间隙提取腔等四部分构成。通过比较单双间隙群聚腔与电子束互作用的耦合系数,说明了非均匀双间隙群聚腔具备对电子束较强的调制能力。前端加载TEM模式反射器的非均匀双间隙群聚腔的工作在TM01-π模式,Q值较大,有利于谐振腔之间的能量隔离。采用两组非均匀双间隙群聚腔级联的方式,在注入功率仅10 kW情况下,实现短漂移管长度下电子束深度群聚达110%。粒子模拟结果表明,该器件具有效率高的优点,在电子束电压400 kV,电流5 kA,磁场强度0.4 T条件下,得到功率825 MW,频率14.25 GHz,效率41%的微波输出。     

W波段二次谐波回旋行波管放大器的模拟与设计

回旋行波管放大器是一种具有高功率、高频率、宽带宽的毫米波放大器，TE₀₂模二次谐波回旋行波管放大器在保持基波回旋行波管放大器的基础上极大地减小了工作磁场,从而具有广阔的应用前景. 利用两段分布式损耗的互作用结构，有效抑制了绝对不稳定性和回旋返波振荡,避免了模式互作用电路引起的模式畸变，提高了输出功率，在一定程度上克服了谐波互作用较弱的缺点，满足了扩展功率容量和放大器长时间稳定工作的要求. 非线性模拟结果和粒子模型(particle in cell)模拟结果均表明，在工作电压为100k 关键词： W波段 二次谐波 回旋行波管放大器     

一种新的永久周期磁铁聚焦的高功率宽带放大器

 提出了一种新的高功率宽带放大器，它由速调管和自由电子脉塞组成，用永久周期磁铁聚焦。研究了这种器件的电子束聚焦、群聚和辐射。在速调管提供一阶调制系数为30%，波导管的半径1.51cm，摇摆器的磁场振幅0.16T，周期7.92cm，电子束的电压490kV，电流50A和半径0.368cm的条件下，预估这种器件的辐射波频率为11.4GHz，输出辐射功率为18MW，输出辐射带宽为44%。     

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。     

Analysis and Numerical Calculations of the Beam-Wave Interaction for Gyroklystron Amplifiers

A four-cavity gyroklystron was designed and optimized after analysis and calculation of RF system and magnetron injection gun, numerical simulations showed that the TE₀₁₁ mode gyroklystron achieved 280kW peak output power, 38% efficiency, 35dB saturated gain with 250Mhz bandwidth centered at 34GHz for a 68 kV, 11A electron beam. The numerical simulation results were used to build a Ka band high power gyroklystron amplifier. In this paper, analysis and numerical calculation results of the beam-wave interaction are presented. The influences of electron beam, RF system parameters, magnetic field, and input RF signal on output power, efficiency, bandwidth and gain are discussed.     

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。     

离轴X波段五腔高增益速调管放大器

利用辛普森算法求解螺线管线圈内磁场分布,证明了离轴磁场能用于电子束的聚束。利用2维粒子模拟程序建立了X波段五腔高增益速调管放大器模型,整管模拟得到了频率9.45GHz、输出功率300MW、增益50.3dB和效率37.5%的微波输出。依此设计了X波段五腔高增益速调管放大器的三维模型,并将其分别放置在线圈中心轴和离轴54mm的位置进行模拟,模拟结果证明工作在离轴状态的器件同样可以进行微波放大。最后,对一个螺线管线圈内放置七个器件的状态进行了三维模拟,其合成功率输出可达2GW。     

缓变截面波导型回旋共振放大器理论

本文先采用波动法对缓变截面波导型回旋共振放大器进行理论分析,推导出它的色散方程,这仅适用于小信号情况。另外还利用场与电子流的动功率守恒定理对这类放大器进行理论计算,它可不受小信号限制,可用来计算放大器的饱和输出功率和效率。针对由三段角锥组成的变截面波导系统,对这放大器进行了具体计算。理论计算表明:这种结构的放大器的突出优点是在高功率输出下磁场变化对输出功率影响较小。此外,与均匀波导的同类放大器相比,在相同的输出功率与增益下有更宽的工作频带,互作用长度则有所缩短。 关键词：     

X波段长脉冲同轴多注相对论速调管放大器的分析与设计

为了提高相对论速调管放大器的工作频率、输出功率以及转换效率, 结合三重轴相对论速调管和多注速调管的特点, 采用三维电磁粒子模拟软件分析与设计了工作在X波段的长脉冲同轴多注相对论速调管放大器, 通过优化设计有效地抑制了X波段长脉冲相对论速调管放大器的自激振荡, 避免了脉冲缩短现象的产生, 使X波段相对论速调管放大器在长脉冲状态下能够稳定工作, 在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA、轴向引导磁感应强度为0.8 T的条件下, 输出微波功率达到了1.23 GW, 效率为41%, 增益为42 dB.     

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%。