S波段直线对撞机中具有膜片涂层加速腔的高功率实验(英文)

加速管中的高次模（HOM）能导至累积束流崩溃，因此这些模式必须被抑制．在S波段直线对撞机中（SBLC），采用了在束流孔膜片上复盖适当的损耗材料的方式．HOM的Q值被减小了5倍，而基模的Q值几乎保持不变．3种材料被考虑，即：stainlesssteel，kanthal和galvedc为了对具有这种涂层的加速腔进行高功率测试，一个两腔的谐振器结构被设计．本文描述了高功率测试的原理，过程以及初步的结果．     

BEPCII超导腔高功率输入耦合器

北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCII）将采用超导高频系统,其超导高频加速腔采用同轴天线型高功率输入耦合器。在耦合器的设计中,理论模拟高功率输入耦合器的外部Q值非常重要,它可以为耦合器的优化设计、安装及测试提供理论参考依据。本文用一种时域分析的方法计算了BEPCII超导腔高功率输入耦合器的外部Q值,并与实验结果进行了对比,二者取得了良好的一致,误差度在10％以内。证明了该计算方法的正确性和可行性。同时,本文还对影响该耦合器外部Q值的几何参数进行了优化和研究。为同轴型高功率输入耦合器的设计提供了理论参考依据。     

X波段左手材料高功率微波天线罩实验研究

为改善高功率微波天线的性能,设计了一种新型X波段左手材料高功率微波天线罩,并对其进行了实验冷测研究。结果表明,加载一到四层左手材料天线罩均可在一定频率范围内汇聚波束和提高增益,其中加载一层左手材料天线罩时,天线增益提高最大,在频率为9.32 GHz时增益提高最大幅度约为9.64 dB。将实验结果与理论仿真进行对比发现,两者并没有吻合一致。分析了天线罩的功率容量,可以实现高功率微波的应用。     

X波段左手材料高功率微波天线罩实验研究

为改善高功率微波天线的性能,设计了一种新型X波段左手材料高功率微波天线罩,并对其进行了实验冷测研究。结果表明,加载一到四层左手材料天线罩均可在一定频率范围内汇聚波束和提高增益,其中加载一层左手材料天线罩时,天线增益提高最大,在频率为9.32 GHz时增益提高最大幅度约为9.64 dB。将实验结果与理论仿真进行对比发现,两者并没有吻合一致。分析了天线罩的功率容量,可以实现高功率微波的应用。     

S波段高功率径向线输出窗的设计

为进一步改进和优化高功率径向线阵列天线的拓扑结构,提高功率容量水平,并满足馈源的真空密封需求,提出并设计了一种适用于高功率径向线阵列天线的微波输出窗。该高功率径向线输出窗采用圆环形陶瓷,材料介电常数为9.4,窗片厚度为3 mm,内径为36 mm,可实现径向线阵列天线馈电系统的输入同轴波导与输出同轴波导间的真空密封。设计结果表明：在中心频率为2.856 GHz下,该径向线输出窗驻波比为1.03,插入损耗为0.17 dB,设计功率容量约150 MW。     

S波段高功率径向线输出窗的设计

为进一步改进和优化高功率径向线阵列天线的拓扑结构,提高功率容量水平,并满足馈源的真空密封需求,提出并设计了一种适用于高功率径向线阵列天线的微波输出窗。该高功率径向线输出窗采用圆环形陶瓷,材料介电常数为9.4,窗片厚度为3 mm,内径为36 mm,可实现径向线阵列天线馈电系统的输入同轴波导与输出同轴波导间的真空密封。设计结果表明:在中心频率为2.856 GHz下,该径向线输出窗驻波比为1.03,插入损耗为0.17 dB,设计功率容量约150 MW。     

BEPCII新加速管的高功率测试和老练

BEPCⅡ(北京正负电子对撞机重大改进工程)要求其直线注入器提供更高的能量和流强,为此必须改进正电子产生靶前后的加速管,以提高加速梯度,并消除原有加速管因长期运行后性能有所下降的隐患.本文叙述了新加速管的高功率测试,包括测试装置的设计、建立,微波功率源(速调管)的调试和加速管高功率测试结果及其分析.     

S波段相对论速调管放大器的相位测量

 基于高频信号相位测量原理,提出了S波段相对论速调管放大器相位测量的方法。对S波段800 kW速调管放大器进行了验证实验,并测试了S波段相对论速调管放大器的相位。实验结果表明：速调管输入和输出微波相位差随束压升高而减小,随束流升高而增大,微波相位差不随注入微波功率大小和磁场变化而变化。     

S波段相对论速调管放大器的相位测量

基于高频信号相位测量原理,提出了S波段相对论速调管放大器相位测量的方法。对S波段800 kW速调管放大器进行了验证实验,并测试了S波段相对论速调管放大器的相位。实验结果表明：速调管输入和输出微波相位差随束压升高而减小,随束流升高而增大,微波相位差不随注入微波功率大小和磁场变化而变化。     

S波段速调管双间隙输出腔的设计和实验研究

 介绍了S波段强流相对论速调管放大器(RKA)双间隙输出腔高频系统的设计,并利用3维粒子模拟程序模拟和优化了短脉冲强流相对论调制电子束经过双间隙输出腔后的微波提取。在束压640 kV、束流6 kA、基波调制深度80%的条件下,模拟得到功率为1.1 GW的微波,频率约为2.85 GHz,效率28%。在高频分析和粒子模拟的基础上进行了实验研究,实验中采用束压640 kV、束流6 kA的环行电子束,经过优化调节RKA参数,在中间腔后得到了约4.6 kA的基波调制电流,加上双间隙提取腔后从该RKA获得了频率为2.9 GHz、功率为1 GW、脉宽22 ns的输出微波,束波转换效率26%。     

S波段速调管双间隙输出腔的设计和实验研究

介绍了S波段强流相对论速调管放大器(RKA)双间隙输出腔高频系统的设计,并利用3维粒子模拟程序模拟和优化了短脉冲强流相对论调制电子束经过双间隙输出腔后的微波提取。在束压640 kV、束流6 kA、基波调制深度80%的条件下,模拟得到功率为1.1 GW的微波,频率约为2.85 GHz,效率28%。在高频分析和粒子模拟的基础上进行了实验研究,实验中采用束压640 kV、束流6 kA的环行电子束,经过优化调节RKA参数,在中间腔后得到了约4.6 kA的基波调制电流,加上双间隙提取腔后从该RKA获得了频率为2.9 GHz、功率为1 GW、脉宽22 ns的输出微波,束波转换效率26%。     

基于漏波波导X波段高功率微波天线的实验

在确定天线数值模型的基础上,结合高功率微波天线的真空需要与实验装置情况,设计并加工了X波段基于漏波波导的高功率微波天线,对该天线分别进行低功率和高功率条件下的性能指标测试。在低功率条件下天线测试结果表明：在9.6 GHz下天线增益为26.3 dBi,天线方向图与数值模拟结果一致。在SINUS881加速器上利用返波管进行了天线高功率测试,实验结果表明：天线功率容量大于200 MW,高功率测试方向图、低功率测试方向图和数值模拟取得较为一致的结果。     

S波段分离腔振荡器的数值模拟与设计

通过粒子模拟的方法设计了分离腔振荡器(SCO),并建立了基于爆炸发射的阴极模型,对带有真实二极管结构的SCO进行了整体的粒子模拟研究。典型的数值模拟结果为：在二极管电压为495 kV,电流为3.93 kA时,输出高功率微波的功率为640 MW,微波频率为2.85 GHz,功率效率为33.0%。同时,还研究了二极管输入电压幅度及波形、阴-阳极间距、阴极半径等参数对SCO输出高功率微波特性的影响,初步研究结果表明：除了栅网的通过率,SCO对二极管阻抗、阴极半径等参数也比较敏感,对应一定的二极管阻抗,需有一个最佳的电压值与之匹配;三角波电压波形会明显降低SCO的功率效率。     

S波段分离腔振荡器的数值模拟与设计

通过粒子模拟的方法设计了分离腔振荡器(SCO),并建立了基于爆炸发射的阴极模型,对带有真实二极管结构的SCO进行了整体的粒子模拟研究。典型的数值模拟结果为:在二极管电压为495 kV,电流为3.93 kA时,输出高功率微波的功率为640 MW,微波频率为2.85 GHz,功率效率为33.0%。同时,还研究了二极管输入电压幅度及波形、阴-阳极间距、阴极半径等参数对SCO输出高功率微波特性的影响,初步研究结果表明:除了栅网的通过率,SCO对二极管阻抗、阴极半径等参数也比较敏感,对应一定的二极管阻抗,需有一个最佳的电压值与之匹配;三角波电压波形会明显降低SCO的功率效率。     

X波段长脉冲高功率微波产生的实验研究

获得长脉冲高功率微波（HPM）输出是HPM源技术追求的重要目标之一。从物理机理上分析了影响慢波结构HPM器件实现长脉冲HPM输出的因素,并利用长脉冲脉冲功率源和过模慢波结构HPM器件,开展了X波段长脉冲HPM产生实验。实验中,采用介质-铜阴极,并在慢波结构表面镀Cr,在导引磁场约0.7 T、二极管电压约400 kV、电流约10 kA、束流脉宽200 ns的条件下,获得了功率500 MW、脉宽约100 ns、主模为TM01的X波段长脉冲HPM输出。对实验结果的分析表明,脉冲功率源与HPM器件的阻抗不匹配,是导致HPM器件输出微波脉宽比电子束脉宽短、以及HPM器件输出微波功率效率较低的主要原因。     

X波段长脉冲高功率微波产生的实验研究

 获得长脉冲高功率微波（HPM）输出是HPM源技术追求的重要目标之一。从物理机理上分析了影响慢波结构HPM器件实现长脉冲HPM输出的因素,并利用长脉冲脉冲功率源和过模慢波结构HPM器件,开展了X波段长脉冲HPM产生实验。实验中,采用介质-铜阴极,并在慢波结构表面镀Cr,在导引磁场约0.7 T、二极管电压约400 kV、电流约10 kA、束流脉宽200 ns的条件下,获得了功率500 MW、脉宽约100 ns、主模为TM₀₁的X波段长脉冲HPM输出。对实验结果的分析表明,脉冲功率源与HPM器件的阻抗不匹配,是导致HPM器件输出微波脉宽比电子束脉宽短、以及HPM器件输出微波功率效率较低的主要原因。     

S波段相对论速调管振荡器的实验研究

 在20 GW加速器平台上开展了S波段相对论速调管振荡器（RKO）的单次和重复频率束流调制和微波辐射的实验研究。采用无箔空心阴极和0.9 T的恒流源磁场引出束压1 MV、束流13 kA、脉宽40 ns的环形电子束驱动RKO,该电子束经过3个紧密耦合的扩展互作用腔再经过一段漂移管的群聚后,产生了7.8 kA/20 ns的基波调制束流,该调制束流激励三轴输出腔,单次运行输出了3.5 GW的微波辐射,束波转换效率29%,脉宽20 ns;脉冲重复频率20 Hz运行时,输出微波功率3.4 GW,束波转换效率26%。该振荡器具有起振时间快、输出频谱较纯和结构紧凑等优点。     

X波段GW级长脉冲高功率微波源的设计与实验

通过理论分析指出,单模相对论返波振荡器内的平均场强正比于其工作频率,工作在高频段难以实现长脉冲运行。采用电磁场仿真方法,比较了X波段单模和过模慢波结构的场分布特点,结果表明:增加过模比能有效减小慢波结构表面的射频场强,但由于场分布变化导致场强的减小与过模比的增加相比并不显著。利用过模比约为3的慢波结构设计了一种X波段长脉冲高功率微波源。实验中,在单次运行条件下,输出微波功率达到2 GW、脉宽80 ns;在20 Hz重复频率运行条件下,输出微波功率达到1.2 GW、脉宽100 ns。器件产生的微波频率为9.38 GHz,主模为TM01,效率约24%。微波窗口和慢波结构表面的射频击穿是目前实验中限制微波功率和脉宽增加的关键因素。     

S波段多路径向线功率分配器的设计与实验

为了实现高功率微波的多路等幅同相功率分配,提出了一种新型的使用单圈探针耦合的多路径向线功率分配器。通过对新型探针耦合特性的分析,设计了一个S波段的16路功率分配器模型,并对该模型进行了数值模拟和实验测量。实验结果表明：该功率分配器在2.55~3.15 GHz的频带范围内,驻波比小于14,插入损耗小于0.3 dB,输出幅度不平衡度小于±0.5 dB,输出相位不平衡度小于±5°,可以在较宽的频带内实现微波的等幅同相功率分配。