X波段相对论速调管放大器同轴双间隙输出腔输出特性

设计了工作在X波段的相对论速调管放大器同轴双间隙输出结构,并采用3维PIC程序对其进行了粒子模拟,分析了输出微波功率随直流渡越角、输出腔品质因数值等相关参数的变化,对输出腔体结构进行了优化设计。模拟结果表明：同轴双间隙输出结构可以降低束流的势能,增加束流与腔体的作用时间,提高速调管的微波提取效率。模拟中采用束压600 kV、束流5 kA、调制深度100%和峰值频率9.37 GHz的电子束以及1T的轴向引导磁场强度,得到了周期平均功率1.2 GW、峰值频率9.37 GHz、效率40%的微波输出。     

X波段相对论速调管放大器同轴双间隙输出腔输出特性

 设计了工作在X波段的相对论速调管放大器同轴双间隙输出结构,并采用3维PIC程序对其进行了粒子模拟,分析了输出微波功率随直流渡越角、输出腔品质因数值等相关参数的变化,对输出腔体结构进行了优化设计。模拟结果表明：同轴双间隙输出结构可以降低束流的势能,增加束流与腔体的作用时间,提高速调管的微波提取效率。模拟中采用束压600 kV、束流5 kA、调制深度100%和峰值频率9.37 GHz的电子束以及1T的轴向引导磁场强度,得到了周期平均功率1.2 GW、峰值频率9.37 GHz、效率40%的微波输出。     

X波段同轴多注相对论速调管放大器的初步实验研究

为了提高相对论速调管放大器的工作频率和输出功率,结合三重轴相对论速调管和多注速调管的特点,设计了工作在X波段的同轴强流多注相对论速调管放大器,对强流多注电子束在多注器件结构中的传输、电子束经过输入腔和中间腔后的基波调制以及经过输出腔的微波提取过程进行了实验研究,得到了初步的实验结果.在输入微波功率30 kW,频率9.375 GHz,电子束电压670kV,束流5.3 kA,轴向引导磁感应强度0.8 T的条件下,得到了最大输出微波功率为420 MW,效率为12%,增益为41 dB,输出微波频率与输入微波一致.实验证实了采用同轴强流多注相对论速调管放大器实现X波段高功率微波放大的可行性,为后续更高功率研究打下了基础.     

Design of a C-band relativistic extended interaction klystronwith coaxial output cavity

In order to overcome the disadvantages of conventional high frequency relativistic klystron amplifiers in power capability and RF conversion efficiency, a C-band relativistic extended interaction klystron amplifier with coaxial output cavity is designed with the aid of PIC code MAGIC. In the device, disk-loaded cavities are introduced in the input and intermediate cavity to increase the beam modulation depth, and a coaxial disk-loaded cavity is employed in the output cavity to enhance the RF conversion efficiency. In PIC simulation, when the beam voltage is 680 kV and current is 4 kA, the device can generate 1.11 GW output power at 5.64 GHz with an efficiency of 40.8%.     

Design of a C-band relativistic extended interaction klystron with coaxial output cavity

In order to overcome the disadvantages of conventional high frequency relativistic klystron amplifiers in power capability and RF conversion efficiency, a C-band relativistic extended interaction klystron amplifier with coaxial output cavity is designed with the aid of PIC code MAGIC. In the device, disk-loaded cavities are introduced in the input and intermediate cavity to increase the beam modulation depth, and a coaxial disk-loaded cavity is employed in the output cavity to enhance the RF conversion efficiency. In PIC simulation, when the beam voltage is680 k V and current is 4 k A, the device can generate 1.11 GW output power at 5.64 GHz with an efficiency of 40.8%.     

Simulation and design of an X-band overmoded input cavity

The RF input cavity is an important component for velocity-modulating types of microwave device,providing velocity modulation and density modulation.Conventional RF input cavities,however,encounter the problem of power capacity in the high frequency band due to the scaling law of the working frequency and device size.In this paper,an X-band overmoded input cavity is proposed and investigated.A resonant reflector is employed to reflect the microwave and isolate the input cavity from the diode and RF extractor.The resonant property of the overmoded input cavity is proved by simulations and cold tests,with PIC simulation showing that with a beam voltage of 600 kV and current of 7 kA,an input power of 90 kW is sufficient to modulate the beam with a modulation depth of 3%.     

X波段内同轴膜片加载相对论返波振荡器的特性研究

 把同轴膜片作为相对论返波振荡器的慢波结构,从Maxwell方程组和Floquet定理出发,导出了电磁波在同轴膜片加载相对论返波振荡器中的色散关系。通过编程计算得出TM_0n模式的色散曲线,数值分析了周期长度和导体半径对器件工作频率的影响,运用PIC程序模拟了返波振荡器中注波互作用过程。讨论了纵向聚焦磁场、电子注到慢波结构的距离、槽深和槽宽对输出功率和效率的影响。研究表明：增加器件的周期长度,可以减小器件的截止频率和同一模式下的工作频率; 调节内导体半径的大小,几乎不影响器件的工作频率。周期长度取11 mm,槽深取2 mm,槽宽取3.6 mm,漂移长度取7.5 mm的结构,在520 kV电压、8 kA电流和0.7 T的轴向聚焦磁场条件下,器件能输出2.8 GW的峰值功率,功率效率约33.2%。该慢波结构加工方便,具有广阔的应用前景。     

X波段内同轴膜片加载相对论返波振荡器的特性研究

把同轴膜片作为相对论返波振荡器的慢波结构,从Maxwell方程组和Floquet定理出发,导出了电磁波在同轴膜片加载相对论返波振荡器中的色散关系。通过编程计算得出TM0n模式的色散曲线,数值分析了周期长度和导体半径对器件工作频率的影响,运用PIC程序模拟了返波振荡器中注波互作用过程。讨论了纵向聚焦磁场、电子注到慢波结构的距离、槽深和槽宽对输出功率和效率的影响。研究表明：增加器件的周期长度,可以减小器件的截止频率和同一模式下的工作频率; 调节内导体半径的大小,几乎不影响器件的工作频率。周期长度取11 mm,槽深取2 mm,槽宽取3.6 mm,漂移长度取7.5 mm的结构,在520 kV电压、8 kA电流和0.7 T的轴向聚焦磁场条件下,器件能输出2.8 GW的峰值功率,功率效率约33.2%。该慢波结构加工方便,具有广阔的应用前景。     

X波段高效双频同轴相对论返波管粒子模拟

提出了一种能在X波段实现稳定双频输出的带有谐振反射器的高效率同轴相对论返波振荡器,并使用2.5维全电磁粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示：在电子束电压520 kV、电流8.5 kA、轴向引导磁场2.35 T的条件下,器件实现了9.41 GHz和10.29 GHz的稳定双频输出,平均输出功率为1.35 GW,波束互作用效率为30.5%。此外,双频频谱及双频中较小的频率随着漂移段的变化而准周期地变化,实现了带宽约400 MHz的频率捷变输出。     

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.     

长脉冲X波段多注相对论速调管放大器的初步实验研究

设计了工作在长脉冲的X波段同轴强流多注相对论速调管放大器, 对长脉冲强流多注电子束在多注器件结构中的传输、电子束经过输入腔和中间腔后的束流调制以及经过输出腔的微波提取等过程进行了实验研究, 采用了相应的设计措施以减轻实验中出现的脉冲缩短现象, 得到了初步的长脉冲实验结果. 在输入微波功率60 kW、频率9.378 GHz、电子束电压700 kV、束流4.2 kA、轴向引导磁感应强度1 T的条件下, 重频5Hz输出微波功率为670 MW, 脉宽89 ns, 效率为23%, 增益为40 dB, 输出微波频率与输入微波一致. 从实验上验证了几十千瓦级输入微波驱动X波段同轴多注RKA输出几百兆瓦长脉冲高功率微波的可行性, 为后续更高功率研究打下了基础.     

新型虚阴极振荡器的研究

采用小信号理论,在考虑到透射、反射束电子不同作用下,分析了虚阴极振荡器产生微波的机制,获得了计算微波主频的方法,讨论了增强束波作用效率的方法,并提出一种新型结构的虚阴极振荡器。该振荡器的阳极后放置了一个谐振腔,谐振腔长度很小,虚阴极不能在其中形成,谐振腔受到反射电子束激励并建立强场,场对入射电子进行调制,同时采用同轴结构引出微波。利用2.5D PIC 程序对新型的结构进行了数值模拟,验证了理论分析的正确性。在入射电子束电子能量为520keV和电子束流12.5kA的条件下,获得微波平均功率为1GW,频率为3.66GHz,平均束波转换效率为15.3%。     

新型虚阴极振荡器的研究

 采用小信号理论，在考虑到透射、反射束电子不同作用下，分析了虚阴极振荡器产生微波的机制，获得了计算微波主频的方法，讨论了增强束波作用效率的方法，并提出一种新型结构的虚阴极振荡器。该振荡器的阳极后放置了一个谐振腔，谐振腔长度很小，虚阴极不能在其中形成，谐振腔受到反射电子束激励并建立强场，场对入射电子进行调制，同时采用同轴结构引出微波。利用2.5D PIC 程序对新型的结构进行了数值模拟，验证了理论分析的正确性。在入射电子束电子能量为520keV和电子束流12.5kA的条件下，获得微波平均功率为1GW，频率为3.66GHz，平均束波转换效率为15.3%。     

Laser statistics and cavity length

The effect on the optical field of changing the cavity length of a laser, while keeping the resonance frequency constant, is examined. It is shown that the fully quantized laser theory gives explicit expressions for the length dependence of the light intensity distribution, that are not shared by the semiclassical theory, and are quite different above, at, and below threshold. Some possible experiments are suggested.     

X波段过模圆柱腔脉冲压缩技术理论研究

 利用有耗传输线、谐振腔等效电路和电磁场的网络矩阵等理论,分析了过模圆柱腔脉冲压缩系统中谐振腔的储能稳态和储能泄放过程,推导出功率增益的理论计算公式,并与试验结果进行了比较,达到了较好的吻合,从实验上验证了理论公式的可靠性和可行性。这对于过模圆柱腔脉冲压缩系统的设计、加工与调试可以起到指导作用,并有利于以后开展更深入的研究。     

X波段过模圆柱腔脉冲压缩技术理论研究

利用有耗传输线、谐振腔等效电路和电磁场的网络矩阵等理论,分析了过模圆柱腔脉冲压缩系统中谐振腔的储能稳态和储能泄放过程,推导出功率增益的理论计算公式,并与试验结果进行了比较,达到了较好的吻合,从实验上验证了理论公式的可靠性和可行性。这对于过模圆柱腔脉冲压缩系统的设计、加工与调试可以起到指导作用,并有利于以后开展更深入的研究。     

Single-mode output power enhancement of an extended cavity broad-area laser diode by an intracavity photorefractive crystal

Brightness improvement of high-power semiconductor lasers can be achieved by placing a broad-area laser diode, used as a pure optical amplifier, in an extended cavity. We report the modal behavior of an extended cavity which contains a photorefractive crystal. The dynamic holographic medium that plays the role of a spatial and spectral filter acts on the transverse and axial structure of the extended cavity modes and improves the single-mode operating range of the laser. An enhancement of the brightness in single-mode operation by a factor of seven has been experimentally observed thanks to the intracavity photorefractive crystal. PACS 42.40.Eq; 42.65.Hw; 42.55.Px     

高次模式同轴多间隙腔激励特性研究

提出了一种工作在TM₅₁-2π模式的Ka波段同轴多间隙谐振腔,使用CST本征模求解器研究了此结构的电场分布特性,并分析了基于外侧全通的耦合方式下该结构的冷腔模式特性。在此基础上,通过结合空间电荷波理论和CST三维粒子仿真分析,研究了在多电子注激励下同轴多间隙腔高次模式的起振特性,并分析了此种结构的模式稳定性与注-波互作用特性。研究结果表明：对于工作在Ka波段的TM₅₁-2π模式同轴多间隙腔,采取结构外侧全耦合的方式具有较高的模式稳定性;在此结构中,多电子注不仅会均匀激励起工作模式,也可能非均匀激励起竞争模式;不同于工作在基模的扩展互作用速调管,此种结构的速调管电场极值是分别建立的,因此激励电子注可放置在不同相位的电场极值处;在保持电子注电压、总电流不变的情况下,采取更多电子注的激励方式,需要更小的聚焦磁场。     

X波段耦合腔行波管周期永磁聚焦系统

通过对不同耦合腔结构中电子注传输特性的研究,设计了长周期永磁聚焦系统,解决了影响电子注传输的横向磁场,开口磁环和磁场过渡区等问题,运用3维程序对X波段耦合腔行波管电子光学系统进行模拟计算,电子注通过率达到100%,波动9%,与耦合腔行波管实验要求一致。