相对论磁控管的实验研究

简要分析了相对论磁控管的主要特点与问题,编制了谐振系统数值计算程序,通过数值计算与冷测,对不同阴极尺寸与输出结构的磁控管进行了研究,清晰地描述了磁控管的振荡模式与简并现象。制作了A6型相对论磁控管并进行了热测实验,研究了输出功率与工作磁场的关系,经过大量优化工作,在S波段获得了380MW的微波辐射。     

L波段相对论磁控管长时间稳定运行实验研究

以实现GW级高功率微波源长时间稳定运行为目标,利用应用电子学研究所小型化Marx型脉冲功率源平台开展了L波段六腔衍射输出相对论磁控管长时间稳定运行实验研究。首先介绍了L波段六腔衍射输出相对论磁控管基本结构及长时间稳定运行实验装置基本情况,接着给出了测试系统布局及各参数测试方法,最后给出了实验研究结果：所研制的L波段衍射输出相对论磁控管在输出功率大于1 GW、重复频率10 Hz的条件下实现了超过55 min的长时间稳定运行,输出微波模式稳定,无竞争模式出现,中心频率为1.57 GHz。     

可调谐相对论磁控管的实验研究

 实验研究了高有载品质因数下有无阳极端帽时调谐性能的差异,以及低有载品质因数下,没有阳极端帽时的可调谐相对论磁控管性能。研究结果表明：没有阳极端帽时,可调谐相对论磁控管具有更宽的调谐范围;在高有载品质因数下,可以达到2.52～3.31 GHz的调谐范围,输出功率范围为44～790 MW;低有载品质因数下,调谐范围为2.55～3.05 GHZ,调谐范围内输出功率1～1.7 GW。     

可调谐相对论磁控管的实验研究

实验研究了高有载品质因数下有无阳极端帽时调谐性能的差异,以及低有载品质因数下,没有阳极端帽时的可调谐相对论磁控管性能。研究结果表明：没有阳极端帽时,可调谐相对论磁控管具有更宽的调谐范围;在高有载品质因数下,可以达到2.52～3.31 GHz的调谐范围,输出功率范围为44～790 MW;低有载品质因数下,调谐范围为2.55～3.05 GHZ,调谐范围内输出功率1～1.7 GW。     

同轴辐射相对论磁控管的功率合成研究

同轴辐射相对论磁控管,又称具有衍射输出的相对论磁控管,是目前相对论磁控管在小型化和紧凑化方向发展的重要分支,也是有望成为最紧凑的窄带高功率微波源器件之一.根据同轴辐射相对论磁控管直接轴向辐射准TE11模式的方式和特点,开展了两路同轴辐射相对论磁控管共用一个喇叭的功率合成研究.通过对平行排列结果的分析讨论,提出了一种改善辐射方向性的方法和结构.最终的研究结果表明:当两路同轴辐射相对论磁控管并排靠近放置且夹角为7°,共用喇叭的参数为h=600mm,r=340mm时,π模反射系数为0.31,最大增益21.5dB,辐射模式为TE11模.     

相对论磁控管的实验研究

简要分析了相３对论磁控管的主要特点与问题，编制了谐振系统数值计算程序，通过数值计算与冷测，对不同阴极尺寸与输出结构的磁控管进行了研究，清晰地描述了磁控管的振荡模式与简并现象。制作了Ａ６型相对论磁控管并进行了热测实验，研究了输出功率与工作磁场的关系，经过大量优化工作，在Ｓ波段获得了３８０ＭＷ的微波辐射。     

S波段可调谐相对论磁控管的初步设计

 设计了一种可机械调谐的S波段相对论磁控管，该管采用由5个扇形腔和5个矩形腔组成的旭日型磁控管方案，通过小腔滑块移动实现调谐。利用等效电路法和高频场分析软件与粒子模拟软件分析了器件的性能。初步模拟结果表明：调谐相对带宽可达20％，当电压为650kV，磁场为0.6T时，全带宽内输出功率大于600MW，在大部分带宽内峰值功率大于900MW。     

S波段可调谐相对论磁控管的初步设计

设计了一种可机械调谐的S波段相对论磁控管,该管采用由5个扇形腔和5个矩形腔组成的旭日型磁控管方案,通过小腔滑块移动实现调谐。利用等效电路法和高频场分析软件与粒子模拟软件分析了器件的性能。初步模拟结果表明：调谐相对带宽可达20％,当电压为650kV,磁场为0.6T时,全带宽内输出功率大于600MW,在大部分带宽内峰值功率大于900MW。     

相对论磁控管中自磁场的影响

针对相对论磁控管中自磁场的产生与分布、自磁场对电子运动的影响以及自磁场对互作用的影响进行了深入分析。分析认为,由于自磁场分布的不对称,自磁场对不同区域电子束的作用不同。加速器一侧的电子束受到更明显的自磁场作用,促使此区域的电子束角向速度增加,直接激化模式竞争。同时,如果阴极比较靠近加速器一侧的1/4区域(距磁控管对称中心大约1/4高度）,模式竞争将进一步被激化。     

相对论磁控管透明阴极的仿真与实验

基于一个6腔异腔结构相对论磁控管,运用粒子模拟仿真软件,对同轴阴极和透明阴极的特性进行仿真和实验研究。经仿真优化,设计并制作了一支3个带的透明阴极。粒子模拟结果表明,在相同条件下透明阴极比同轴阴极电子群聚时间大大缩短,起振时间大幅减小,整管效率提高约1倍,输出微波频谱更纯,模式竞争更小。实验结果表明,相同条件下,应用透明阴极所得到的微波脉宽较宽,在S波段获得721 MW的微波功率输出。说明应用透明阴极能缩短相对论磁控管起振时间,与粒子模拟结果相符。     

透明阴极实现相对论磁控管跳频的仿真

基于一个6腔同腔结构相对论磁控管, 透明阴极金属条个数与磁控管腔数相同时相对论磁控管易于工作在2模式, 减少为腔体数目一半时易于工作在模式, 提出了旋转扇形透明阴极金属条角向位置实现相对论磁控管中心频率跳变的方案。经仿真优化, 设计了外径15 mm, 6个扇形金属条的透明阴极, 每个扇形金属条的角向宽度为20。运用粒子模拟软件, 仿真分析了角向位置金属条与阳极块相对应及金属条与谐振腔相对应两种情况, 在工作磁场保持0.75 T, 调节工作电压在600~800 kV内变化时, 模拟结果表明, 相对论磁控管可以很稳定地分别工作在 2模式和模式, 即通过旋转透明阴极实现相对论磁控管频率跳变。     

相对论磁控管透明阴极技术作用机理研究

透明阴极技术对相对论磁控管振荡启动过程具有显著影响,但其加速启动过程的作用机理仍有待深入研究。对采用扇形单元透明阴极的L波段相对论磁控管进行数值模拟,分析了场分布模式和带电粒子空间运动规律,发现透明阴极与实心阴极在磁控管振荡启动过程的差异。可见透明阴极带来的静电场角向分量与外加轴向磁场引起的洛伦兹力,对初始工作状态的电子具有向阳极加速漂移的作用。采用透明阴极的相对论磁控管的电子轮辐外缘更贴近阳极,群聚电子在轴向上具有随距离连续变化的速度分布,使得电子与高频电磁场的能量交换更加充分。对扇形阴极单元的个数与张角组合的匹配效果进行了模拟,给出了磁控管振荡建立阶段静电场角向分量对阴极电子发射与漂移运动的作用规律。透明阴极的设计需要与磁控管慢波结构相匹配,以得到最优化的工作状态。     

预脉冲对相对论磁控管工作性能的影响分析

在阐述预脉冲产生的基础上,分析了预脉冲带来的一系列影响,包括工和电压波形变化,提前生成等离子体,以及预脉冲阶段放大竞争模式等,这些影响与相对论磁控管起振工作频率相联系,从而直接造成了相对论磁控管的基本性能参数,如脉宽、工作频率及输出功率等变化。结合具体实验,对比了有、无预脉冲条件下相对论磁控管工作性能的差异,对预脉冲的影响因素与相对论磁控管性能之间的联系进行了详细的分析。     

全腔输出相对论磁控管输出模式转换结构的理论设计和数值模拟

采用全腔输出结构后,相对论磁控管径向尺寸显著减小,轴向长度也有较大幅度的缩短.但是,由于输出结构为三个相对独立的扇形波导,实际应用时,一般需要对微波输出模式进行转换.针对全腔输出相对论磁控管,本文研究了两种输出模式转换结构并利用三维全电磁粒子模拟程序对其进行了研究.首先研究了将三个扇形波导角向增宽从而渐变或者突变为一个同轴波导的情况,研究结果表明,两种情况下输出微波功率均大于采用传统三个独立扇形波导输出时的90%,输出模式主要是TEM模.其次研究了输出区由三个扇形输出波导分别变换为三个截面大小与之接近的矩形输出波导的可行性,研究结果表明,注入扇形波导中的TE₁₁模式几乎全部转换为矩形波导中的TE₁₀模式.实际应用时,可根据需要选择上述输出模式转换结构.     

可调谐相对论磁控管调谐带宽的优化

在以10腔旭日结构为方案的可调谐相对论磁控管中,分析了热腔下对磁控管性能有重要影响的零模成分与模式隔离因素,结合零模成分的形成原因以及轴向频率分量对调谐范围的影响,提出了调整大、小腔等效阻抗和体积,开放阳极端面,从而减小零模分量及增加调谐带宽的措施。CST模拟表明,通过这些优化,可调谐相对论磁控管的调谐带宽从最初的380 MHz提高到900 MHz。     

圆极化TE11输出模式旋向可在线切换的相对论磁控管模拟研究

提出了一种圆极化TE₁₁输出模式旋向可在线切换的相对论磁控管。该器件互作用区结构采用同腔型磁控管结构,输出结构采用全腔提取结构,励磁系统采用Helmholtz线圈磁场系统。本文利用全腔提取结构的模式激励理论对该器件的输出模式成分进行了理论分析,利用粒子模拟软件对该器件的工作性能进行了模拟研究。粒子模拟结果表明：在外加电压770 kV和外加轴向磁场0.2 T（方向与微波轴向输出方向同向）的条件下,该器件的工作模式为5π/6模,工作频率为2.35 GHz,输出功率为3.86 GW,功率效率达到55.5%,输出模式为右旋圆极化TE₁₁模式且模式纯度达到99%以上;当外加轴向磁场与微波轴向输出方向反向时,该器件的输出模式即可在线切换为左旋圆极化TE₁₁模式,而其他输出性能基本保持不变。     

Experimental investigation of a compact relativistic magnetron with axial TE11 mode radiation

As one of the relativistic electron tubes having compact configuration and high efficient output, the relativistic magnetron with direct axial radiation is very attractive in pulsed power and high power microwave fields for industrial and military applications. In this paper, the experimental investigation of a relativistic magnetron with axial TE11 mode radiation is reported. Under a total length of - 0.3 m, volume of - 0.014 m3, working at an applied voltage of 508 kV and a magnetic field of - 0.31 T, the relativistic magnetron radiates a microwave of 540 MW with the TE11 mode at 2.35 GHz in the axial direction. The power conversion efficiency is 15.0%. After a lot of shots, the detected amplitudes of microwaves are nearly the same. The fluctuations of wave amplitudes are less than 0.3 dB.