Simulation of the relativistic backward wave oscillator with a sinusoidal guiding magnetic field

A simulation is carried out to investigate a relativistic backward wave oscillator （RBWO） with a sinusoidal guiding magnetic field. In the numerical simulation, a microwave output power of 1.33 GW at 9.57 GHz microwave frequency with 33% conversion efficiency is achieved. It is a significant attempt which is helpful for developing a practical high power microwave （HPM） source guided by a permanent magnetic field.     

Experimental investigation of the relativistic backward wave oscillator with a periodic guiding magnetic field

Experiment is carried out on the accelerator Sinus-700 to investigate the Relativistic Backward Wave Oscillator (RBWO) with a periodic guiding magnetic field. When the strength of the guiding magnetic field, whose period is 4.6 cm, is 0.54 T, a microwave output power of 0.95 GW at 9.1 GHz microwave frequency is achieved. It is shown that the RBWO with a periodic guiding magnetic field is feasible.     

Experimental investigation of the relativistic backward wave oscillator with a periodic guiding magnetic field

Experiment is carried out on the accelerator Sinus-700 to investigate the Relativistic Backward Wave Oscillator （RBWO） with a periodic guiding magnetic field. When the strength of the guiding magnetic field, whose period is 4.6 cm, is 0.54 T, a microwave output power of 0.95 GW at 9.1 GHz microwave frequency is achieved. It is shown that the RBWO with a periodic guiding magnetic field is feasible.     

无外加引导磁场相对论返波振荡器粒子模拟

设计了一种无外加引导磁场S波段相对论返波振荡器,采用阳极网提取电子,并设计了非均匀慢波结构。通过Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。典型模拟结果为:当二极管工作电压330 kV、电流2.83 kA时,器件在频率2.79 GHz处获得较高的微波输出,经27 ns后饱和,输出微波的功率达158 MW,效率约为16.8%。     

无外加引导磁场相对论返波振荡器粒子模拟

设计了一种无外加引导磁场S波段相对论返波振荡器,采用阳极网提取电子,并设计了非均匀慢波结构。通过Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。典型模拟结果为：当二极管工作电压330 kV、电流2.83 kA时, 器件在频率2.79 GHz处获得较高的微波输出,经27 ns后饱和,输出微波的功率达158 MW,效率约为16.8%。     

L波段同轴相对论返波振荡器导引磁场设计

设计了一个用于为L波段同轴相对论返波振荡器提供导引磁场的双线绕制、分段磁场线圈系统。根据粒子模拟中对磁场的要求和实验室已有的条件来确定磁场的各参数,通过数学软件Mathcad和全电磁粒子模拟程序Karat对设计出的轴向磁场位形进行验证。采用基于Hall效应的Tesla计对加工好的磁场线圈产生轴向磁场空间分布进行了测量,同时利用电子束轰击尼龙靶来考察电子束被导引的效果。利用绕制好的磁场线圈开展了初步实验研究,在二极管电压655 kV,电子束流为10.4 kA,导引磁场0.7 T的条件下,输出微波峰值功率约为864 MW,微波波形半高宽为23 ns,功率转换效率约为12.7%,频率1.61 GHz。     

L波段同轴相对论返波振荡器导引磁场设计

设计了一个用于为L波段同轴相对论返波振荡器提供导引磁场的双线绕制、分段磁场线圈系统。根据粒子模拟中对磁场的要求和实验室已有的条件来确定磁场的各参数,通过数学软件Mathcad和全电磁粒子模拟程序Karat对设计出的轴向磁场位形进行验证。采用基于Hall效应的Tesla计对加工好的磁场线圈产生轴向磁场空间分布进行了测量,同时利用电子束轰击尼龙靶来考察电子束被导引的效果。利用绕制好的磁场线圈开展了初步实验研究,在二极管电压655kV,电子束流为10.4kA,导引磁场0.7T的条件下,输出微波峰值功率约为864MW,微波波形半高宽为23ns,功率转换效率约为12.7%,频率1.61GHz。     

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%。     

捷变频相对论返波管振荡器设计

基于低磁场返波管振荡器的工作原理,设计了一个捷变频相对论返波管振荡器,该器件由两段对电子束参数要求基本一致的慢波结构串接而成,通过调节引导磁场强度实现器件频率的调节,使其分别工作于C波段和X波段。在电子能量和束流分别为670 keV和8 kA的条件下,当引导磁场强度为0.5 T时,采用2.5维PIC程序模拟得到频率为6.28 GHz、功率为1.0 GW的微波输出;而当引导磁场强度为0.8 T时,得到频率为9.25 GHz、功率为0.75 GW的微波输出。     

带有反射腔的相对论返波管的数值模拟

 阐述了带有反射腔的相对论返波管的数值模拟研究。利用线性理论[1]设计了返波管的慢波结构，应用SUPERFISH软件设计了谐振反射器。用KARAT软件对谐振反射腔返波管进行了宏观粒子模拟，得到了优化的返波管结构参数，并研究了外加磁场对输出效率的影响。模拟结果表明：谐振反射腔不仅起到截止颈的作用，还有预调制的作用；在低外加磁场条件下，该返波管也能输出较高功率的微波。显示了其在重复频率工作方面的重要意义。     

Experimental investigation of backward wave oscillator with low magnetic field

A backward wave oscillator (BWO) is introduced in the paper. On the accelerator of Sinus-700, it is experimentally investigated. Under the condition that the electron energy is 740keV, the beam current is 7kA and the guiding magnetic field is at 0.68T, the performance of 1.15GW microwave output power at. 9.1GHz microwave frequency with 22ns pulse width and 22% conversion efficiency are reached.     

Theoretical investigation of a backward wave oscillator

From the linear Vlasov equation, the theoretical investigation on relativistic backward wave oscillator is performed. The relationship between the microwave power and the guiding magnetic field, which accords with the results of the particle simulation and experiments, is deduced.     

Development of the relativistic backward wave oscillator with a permanent magnet

Firstly, an X-band relativistic backward wave oscillator with a low guiding magnetic field is simulated, whose output microwave power is 520 MW. Then, an experiment is carried out on an accelerator to investigate a relativistic backward wave oscillator with a permanent magnetic field whose strength is 0.46 T. When the energy of the electron is 630 keV and the current of the electron beam is 6.7 kA, a 15 ns width pulsed microwave with 510 MW output power at 8.0 GHz microwave frequency is achieved.     

Experimental investigation of backward wave oscillator with low magnetic field

A backward wave oscillator (BWO) is introduced in the paper. On the accelerator of Simus-700,it is experimentally investigated. Under the condition that the electron energy is 740 keV, the beam current is 7 kA and the guiding magnetic field is at 0.68 T, the performance of 1.15 GW microwave output power at 9.1 GHz microwave frequency with 22 ns pulse width and 22% conversion efficiency are reached.     

相对论返波管慢波结构的起始端设计

 对相对论返波管的慢波结构中横磁模－TM₀₁模的空间谐波系数进行了理论计算。理论上证明采用所述的4种方法构造的有限长度的慢波结构谐振腔,其一些电动力学特性可以等效为无限长结构的特性。根据慢波结构内场分布的特点和计算机数值模拟结果,提出为了提高相对论返波管的转换效率,一般选择慢波结构的起始端从波纹最深处开始。     

非磁化等离子体填充的相对论返波管的粒子模拟

 对非磁化等离子体填充的相对论返波管进行了粒子模拟分析，结果表明在一定的等离子密度范围内，观察到电子注的良好传输，得到了高功率电磁波输出。等离子体密度变化过程中，输出存在有峰值功率点。通过粒子模拟清晰地观察到注、等离子体及波相互作用的物理过程，并且模拟结果解释了部分实验现象。     

Theoretical investigation of a backward wave oscillator

From the linear Vlasov equation,the theoretical investigation on relativistic backward wave osciUator is performed.The relationship between the microwave power and the guiding magnetic field,which accords with the results of the particle simulation and experiments,is deduced.     

带谐振腔反射器的低磁场返波管实验研究

谐振腔反射器到慢波结构输入端之间的漂移段长度对返波管效率有较大影响,文章对该影响进行了理论分析和数值模拟。结果表明：由于谐振腔反射器对电子束的预调制作用,返波管输出功率随漂移段长度的增加而呈现多峰值现象,在选取合适的漂移段长度时,可以显著提高其微波产生的效率。在SINUS－881加速器上开展实验,在引导磁场为0.7 T,漂移段长度为4.9 cm的条件下,实验获得了功率为700 MW,频率为8.7 GHz,脉宽20 ns的微波输出,效率约14%。实验研究证实了模拟结果的正确性。     

带谐振腔反射器的低磁场返波管实验研究

 谐振腔反射器到慢波结构输入端之间的漂移段长度对返波管效率有较大影响,文章对该影响进行了理论分析和数值模拟。结果表明：由于谐振腔反射器对电子束的预调制作用,返波管输出功率随漂移段长度的增加而呈现多峰值现象,在选取合适的漂移段长度时,可以显著提高其微波产生的效率。在SINUS－881加速器上开展实验,在引导磁场为0.7 T,漂移段长度为4.9 cm的条件下,实验获得了功率为700 MW,频率为8.7 GHz,脉宽20 ns的微波输出,效率约14%。实验研究证实了模拟结果的正确性。     

相对论返波管中击穿现象粒子模拟

随着相对论返波管(RBWO)输出功率的提高,RBWO内部击穿问题日益突出。击穿过程中产生的等离子体,会降低输出功率并导致脉冲缩短,大大限制了RBWO的输出单脉冲能量。采用3维粒子模拟,在反射器、慢波结构、提取腔局部区域产生等离子体,建立了RBWO单点击穿及多点击穿模型,获得了等离子体产生的区域和密度对微波输出性能的影响规律。模拟结果表明,输出微波功率随等离子体密度增加而迅速降低,多点击穿相对于单点击穿情况更容易引起输出微波脉冲提前终止,且发射器击穿产生的等离子体效应更为明显。