0.6 THz三次谐波大回旋电子枪设计

基于会切磁场的理论模型,采用粒子模拟软件对0.6 THz三次谐波的太赫兹回旋管所需的大回旋电子光学系统进行研究。通过大量的模拟计算,分析讨论了不同参数对电子注的横向速度离散、纵向速度离散及横纵速度比的影响,优化了电子光学系统的性能参量,得到符合设计要求且具有工程实际应用的电子枪,该电子枪能够产生55 kV,1 A,横向速度离散为3.39%、纵向速度离散为7.10%、横纵速度比为1.53的大回旋电子注。     

70 GHz二次谐波倍频回旋速调管研究

 对70 GHz二次谐波倍频回旋速调管高频结构和电子与波互作用进行了研究。研究了TE02模腔体绕射品质因数及模式转化，解决了二次谐波倍频回旋速调管漂移段不能截止70 GHz的TE01模而引起的腔体间高频串扰的问题。分析了注电流、输入功率、电子横纵速度比和电子注引导中心半径等参数对输出功率、增益和效率的影响。针对二次谐波回旋速调管放大器工作频带窄、效率低，进行了高频结构优化设计，显著地展宽了工作频带，提高了互作用效率。在理论分析和高频计算的基础上，建立了注-波互作用PIC（粒子模拟）模型，进行了粒子模拟计算和优化，得到了70 GHz 的二次谐波倍频四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟结果表明：在工作电压70 kV，注电流13 A，电子注横向速度与纵向速度比为1.5时，中心频率69.81 GHz输出功率256 kW，带宽160 MHz，电子效率28%，饱和增益大于44 dB。     

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     

回旋行波管动力学分析及数值计算

 以小回旋电子注、均匀截面光滑壁圆柱波导为例,对回旋行波管动力学色散方程作了解析分析和讨论;数值计算和分析了注波互作用耦合系数与电子注参数的相互关系,为优化选择电子注参数,提高注波互作用效率获得了依据。     

94GHz基波复合腔回旋管数值模拟

通过对94 GHz基波复合腔回旋管中谐振腔结构、电子注参数以及注-波互作用过程的模拟计算研究,分析了复合腔回旋管的高频结构特性和工作参数优化问题.给出了基波H61 -H62模式对复合腔回旋管的模拟设计结果.数值模拟结果表明:在电子注电压40 kV、电流5A、电子横纵速度比1.3、工作磁场3.6T时,回旋管可获得78 k...     

95 GHz三次谐波回旋管设计

采用线性理论和非线性理论研究了回旋管谐振腔结构、寄生模式抑制及注波互作用等问题。设计了一支工作在95 GHz的三次谐波回旋管,注波互作用结构采用标准开放式谐振单腔,工作模式为TE64, 采用电压45 kV、电流5 A、横纵速度比为1.5的小回旋电子注。在不考虑电子注速度离散及厚度的情况下,非线性理论分析表明,该回旋管可以获得14 kW功率输出,横向互作用效率约为18%,整管效率约11%。     

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。     

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.     

W波段回旋行波管放大器的模拟与设计

回旋行波管放大器是高功率毫米波雷达发射系统最重要的候选者.通过对回旋行波管放大器中的绝对不稳定性、回旋返波振荡以及电子注-波互作用的研究，讨论了回旋行波管的稳定性、寄生模式的抑制和工作参数的优化等问题，给出了W波段TE₀₁模回旋行波管放大器的模拟设计结果.PIC粒子模拟结果表明，在电子注电压100kV、电流10A、工作磁场3.52T时，94GHz的基波回旋行波管放大器可获得大于250kW的输出功率、40dB的增益、大于25％的效率和约5％的带宽. 关键词： W波段 回旋行波管放大器 模拟 设计     

全三维110GHz和220GHz同轴腔双注回旋管数值模拟研究

为了打破传统单注回旋管只能产生较低功率的局限性, 本文基于自主研发的PIC粒子模拟软件CHIPIC 对110 GHz和220 GHz同轴腔双注回旋管进行全三维数值模拟研究. 在理论分析同轴双电子注电子枪设计模型和初始参数的基础上通过CHIPIC对其进行优化设计, 得到了具有横纵速度比为1.0, 最大速度零散约为5.4%的高性能电子束; 并将此优化后的双阳极双注电子枪取代传统回旋管数值模拟时采用的回旋 发射进行110 GHz和220 GHz双注回旋管整管的数值模拟, 并采用MPI四进程并行计算, 最终获得了具有双频分别为110 GHz和220 GHz、模式为TE₀₂模、平均输出功率约在70 kW、 效率达到8.75%的高性能双注回旋振荡管. 关键词： 同轴腔双注回旋管 同轴双电子注电子枪 横纵速度比 速度零散     

Computer Simulation of Axis-Encircling Beams Generated by an Electron Gun with a Permanent Magnet System

Results from computer aided design of a novel electron gun generating axis-encircling beams are presented and discussed. Numerical experiments were performed by the new version of the software package GUN-MIG named GUN-MIG/CUSP. It is based on a self-consistent relativistic model and is developed as a problem oriented tool for analysis of electron-optical systems with magnetron injection guns (MIG) and electron guns with field reversal (cusp guns), forming axis-encircling beams. As a result of the simulations an electron-optical design of a novel electron gun with permanent magnet system was accomplished. The gun is expected to form high quality beams with small velocity spread and beam ripple. Parameters of the generated beams are appropriate for a prospective weakly relativistic high harmonic large orbit gyrotron (LOG). The development of such device is in progress now at the Research Center for Development of Far-Infrared Region (FIR Center) at Fukui University.     

The spread of the initial energy of electrons in a gyrotron due to the negative-mass instability developing in a magnetron-injector gun

The formation of an electron beam in a magnetron-injector gun of a gyrotron is investigated in the case when it is affected by the negative-mass instability due to the Coulomb repulsion and nonisochronous cyclotron rotation of particles. A technique is proposed for calculating the spread of the initial energy of electrons caused by the instability, which develops as the electron beam moves in the presence of a nonuniform magnetostatic field of the magnetron-injector gun. It is demonstrated that this instability can be one of the main factors providing the energy spread in electron guns of gyrotrons.     

Electron Gun for Powerful Large Orbit Gyrotron

In the article, results of numerical simulation of the gun with the cusp of magnetic field are presented. Short pulse version of the gun with explosion emission is investigated. Some preliminary analytical estimation of the beam and gun parameters are performed. Then, numerical optimization of the electrodes shape as well as magnetic field distribution is carried out. For preliminary separation of electrons and formation of the rectilinear beam, anode diaphragm is installed. After then, additional selection of electrons for decreasing the ripple is performed. For this purpose, channel walls are used for interception of some part of the electron beam. Reverse of the magnetic field in the diode part of the gun is formed. So, the formation of the rectilinear beam is combined with the region, where electrons obtain initial gyration energy. To prevent the disperse action of the own beam space charge forces, the system with big gradient of magnetic field (about 0.5-1 kGs/mm) is needed. According to results of the simulation, helical electron beam can be performed even at total compression ratio about 1000 and current density more than 50 kA/cm². The designed electron gun provides acceptable performance for the large orbit gyrotron, such as operating current close to 300 A, the pitch-factor value about 1.5-1.7, deviation of the guiding centers from the axis (the ripple) /10 and /6 for operation on 3-rd and 5-th cyclotron harmonic correspondingly (wavelength =0.5 and 0.3 mm) and velocity spread within the range 10-15%.     

低速度零散会切电子枪的设计和数值仿真

根据拉格朗日方程对电子在平滑会切磁场中的径向波动与速度零散的关系进行讨论。运用Matlab,Magic软件相互结合的方法设计电子枪结构和磁场。用Matlab程序模拟单电子在给定电场、磁场中的运动,分析了单电子径向速度对零散的影响,并优化磁场分布。设计的磁场可以有效地减小单电子束径向速度,降低电子束速度零散。用Magic软件对电流为1 A、能量为30 keV的电子束在优化磁场中的运动进行仿真,得到的电子束速度比约为2,速度零散小于2.5%,轴向速度零散小于8.5%。     

会切磁场中大回旋电子束产生的研究

研究了会切磁场产生的机理。通过对Moster-Molnar 模型的探讨, 建立了会切磁场的物理模型。在会切磁场理论分析和数值模拟基础上, 探讨了影响会切磁场设计的因数; 利用拉格朗日公式求解了会切磁场中电子运动轨迹。探讨了会切磁场与大回旋空心会切电子枪的关系, 得到了改进会切电子枪性能的一些一般性结论。     

35-GHz 25-kW CW low-voltage third-harmonic gyrotron

A 50-kV third-harmonic gyrotron is shown to be capable of high efficiency. Operation at the third harmonic allows the required magnetic field for 35 GHz generation to be supplied by a 4.5-kG permanent magnet. Two gyrotrons employing sliced circuits for mode control have been evaluated with a large-signal nonself-consistent particle-tracing simulation code and found to be capable of producing 25 kW continuously. The preliminary design of a third-harmonic TE₄₁ gyrotron utilizing a magnetron injection electron gun is predicted to yield a device efficiency of 17%, which can potentially be increased to 46% with an ideal single-stage depressed collector, while an axis-encircling electron beam from a Cusp electron gun is predicted to drive a third-harmonic TE₃₁ gyrotron with a device efficiency of 23%, which can theoretically be increased to 45% through the use of an ideal depressed collector     

大回旋电子束双磁会切电子枪的设计

 分析了Ka波段二次谐波回旋行波管双磁会切电子枪的理论模型，计算了电子枪的设计参数；采用EGUN软件进行模拟，设计出了产生大回旋电子束的双磁会切电子枪。该枪电压为70 kV，电流为3.35 A，电子束横纵速度比为1.62，速度零散为4.2%。给出了电子束速度比、速度零散沿轴线的分布，进而讨论了阳极电压对电子束性能的影响，结果表明选择适当的阳极电压和阴极磁场对得到好的电子束参量作用明显。     

全三维94 GHz回旋管系统数值模拟研究

为了打破传统回旋管数值模拟所采用的回旋发射产生理想电子束的局限性, 本文在理论分析94 GHz双阳极磁控注入式电子枪的结构参数的基础上, 通过共形FDTD算法对网格划分进行优化, 得到了具有横纵速度比为1.42, 最大速度零散为5.92%的高性能电子束, 并将此优化后的电子枪取代传统回旋管数值模拟时采用的回旋发射进行该94 GHz回旋 管系统的数值模拟, 并采用MPI四进程并行计算, 最终获得了具有TE₀₃模、94 GHz、平均输出功率约在40 kW、 效率达到10.5%的高性能回旋振荡管. 关键词： 双阳极磁控注入式电子枪 共形FDTD 横纵速度比 速度零散