W波段具有开放式圆柱光栅的三反射球镜准光腔辐射源

为设计输出高功率、高频率的W波段辐射源提供一个可行的方案,对一种具有开放式圆柱光栅的三反射球面镜准光腔大功率辐射源,在理论计算和PIC模拟仿真的基础上,完成了理论设计,装配出实验系统,并进行了热测实验。实验中采用了束流脉宽为70 ns的环形电子注,引导磁场为2.2 T,二极管电压为557 kV,电流约为1.8 kA,实验测得在W波段有1.2 MW的峰值功率输出。     

W波段带状注速调管准光输出结构改进设计

本文使用等效偶极子理论和相位叠加原理对准光输出结构进行了理论分析, 并在此基础上对准光渐变输出结构进行了一系列的改进设计, 通过对冷腔特性包括特性阻抗、耦合系数、有载Q值、模式分布均匀性等方面的详细研究, 发现抛物线渐变准光输出腔相比于直线渐变、三角形渐变和切比雪夫渐变结构具有更好的冷场性质, 对改善带状注速调放大器的互作用效率和工作带宽有一定的优势. 在此设计基础上加工了5间隙直线渐变结构准光输出耦合器. 关键词： W波段 带状注速调管 准光输出结构     

W波段边廊模回旋管准光模式变换器的研究与设计

详细研究并设计了一个由Vlasov螺旋开口辐射器和两级曲面反射器组成的边廊模回旋管准光模式变换器.首先采用几何光学理论研究了设计的Vlasov型准光模式变换器的工作机理,在此基础上,再利用矢量绕射理论中的口径场积分法和表面电流积分法编写了模拟仿真程序,最后结合W波段边廊模回旋管的具体设计参数,应用所编写程序详细分析了工作模式在此变换器中的模式变换过程.模拟结果表明,W波段回旋管中的TE_12,2边廊模在输出窗处被转换为能量集中的准Gauss波束.     

W波段边廊模回旋管准光模式变换器的研究与设计

详细研究并设计了一个由Vlasov螺旋开口辐射器和两级曲面反射器组成的边廊模回旋管准光模式变换器.首先采用几何光学理论研究了设计的Vlasov型准光模式变换器的工作机理,在此基础上,再利用矢量绕射理论中的口径场积分法和表面电流积分法编写了模拟仿真程序,最后结合W波段边廊模回旋管的具体设计参数,应用所编写程序详细分析了工作模式在此变换器中的模式变换过程.模拟结果表明,W波段回旋管中的TE_12,2边廊模在输出窗处被转换为能量集中的准Gauss波束. 关键词： 回旋管 边廊模 准光模式变换器 W波段     

D波段双球镜准光系统测量低耗介质

采用双球镜准光腔、频谱仪和锁相返波管组建了D波段低损耗介质测试系统,该系统通过频谱仪和外置谐波混频器得到腔体谐振测试数据,并用拟合或积分方法从谐振曲线中求解出准光腔的品质因数。测得双球镜开腔的固有品质因数大于8105,使该系统在工作波段可测量损耗角正切为10-5量级的低损耗介质。用该系统测出的石英、人造金刚石和蓝宝石的介电常数和损耗,与报道的结果一致,并测得4H-SiC在132.07 GHz的介电常数实部为9.598,损耗角正切为6.110-5。     

D波段双球镜准光系统测量低耗介质

采用双球镜准光腔、频谱仪和锁相返波管组建了D波段低损耗介质测试系统,该系统通过频谱仪和外置谐波混频器得到腔体谐振测试数据,并用拟合或积分方法从谐振曲线中求解出准光腔的品质因数。测得双球镜开腔的固有品质因数大于8105,使该系统在工作波段可测量损耗角正切为10-5量级的低损耗介质。用该系统测出的石英、人造金刚石和蓝宝石的介电常数和损耗,与报道的结果一致,并测得4H-SiC在132.07 GHz的介电常数实部为9.598,损耗角正切为6.110-5。     

多腔虚阴极振荡器研究

 提出了一种具有预调制腔、主谐振腔和提取腔组成的多腔轴向提取虚阴极振荡器结构。腔体特性分析表明其在工作频段可以获得更高的提取效率。粒子模拟显示该结构在电压700 kV,电流23 kA的条件下,可输出功率大于1.7 GW,频率4.0 GHz,功率效率大于10％的微波。初步的实验研究获得了辐射功率约700 MW,频率约4.1 GHz的微波输出。对实验结果的进一步分析表明,通过适当加大器件虚阴极振荡工作区微波管直径的方法可以有效改善器件的谐振性能,从而获得更好的工作性能。     

多腔虚阴极振荡器研究

提出了一种具有预调制腔、主谐振腔和提取腔组成的多腔轴向提取虚阴极振荡器结构。腔体特性分析表明其在工作频段可以获得更高的提取效率。粒子模拟显示该结构在电压700 kV,电流23 kA的条件下,可输出功率大于1.7 GW,频率4.0 GHz,功率效率大于10％的微波。初步的实验研究获得了辐射功率约700 MW,频率约4.1 GHz的微波输出。对实验结果的进一步分析表明,通过适当加大器件虚阴极振荡工作区微波管直径的方法可以有效改善器件的谐振性能,从而获得更好的工作性能。     

Ku波段径向线相对论速调管放大器的仿真与设计

高频段相对论速调管放大器(RKA)是近年来高功率微波领域的研究热点之一,其发展主要受限于模式竞争、相位抖动和效率偏低等问题。设计了一种径向线RKA,主要由输入腔、两组非均匀双间隙群聚腔和三间隙提取腔等四部分构成。通过比较单双间隙群聚腔与电子束互作用的耦合系数,说明了非均匀双间隙群聚腔具备对电子束较强的调制能力。前端加载TEM模式反射器的非均匀双间隙群聚腔的工作在TM₀₁-π模式,Q值较大,有利于谐振腔之间的能量隔离。采用两组非均匀双间隙群聚腔级联的方式,在注入功率仅10 kW情况下,实现短漂移管长度下电子束深度群聚达110%。粒子模拟结果表明,该器件具有效率高的优点,在电子束电压400 kV,电流5 kA,磁场强度0.4 T条件下,得到功率825 MW,频率14.25 GHz,效率41%的微波输出。     

C波段相对论磁控管的三维粒子模拟研究

利用场论的方法推导了6腔扇形腔结构相对论磁控管的色散关系, 并用牛顿迭代法对色散关系进行了求解, 得到了色散关系曲线. 利用三维PIC粒子模拟, 对该结构的相对论磁控管分别进行了冷腔和热腔研究, 冷腔研究得到了π模谐振频率为2.42GHz, 与本文理论推导的色散关系有很好的一致性. 在热腔情况下, 电子能量为437keV, 电子束流为12.2kA, 外加磁场为0.6T, 模拟得到了频率     

特殊三反射镜太赫兹波段准光腔回旋管的动力学理论

基于回旋管线性理论,运用Laplace变换和留数定理的方法,在线性Vlasov-Maxwell方程组的框架下,研究了特殊三反射镜准光腔回旋管的动力学理论.导出了注-波互作用功率、频偏和起振电流公式,运用MATLAB进行了数值运算.结果表明,这种回旋管工作于高次谐波状况下能有较高的互作用功率,具有工作于太赫兹波段的潜力. 关键词： 三反射镜准光腔 太赫兹 回旋动力学理论     

W波段带状注矩形单栅返波振荡器模拟研究

提出并研究了一种带状电子注矩形单栅返波振荡器。首先研究了矩形单栅慢波结构的色散特性和耦合阻抗特性,然后粒子模拟并优化设计了带状注矩形单栅高频结构,预群聚腔及输出一体化结构。研究结果表明：利用电压200 kV、电压2 kA、截面为24 mm0.5 mm的带状电子注,驱动该矩形单栅返波振荡器,能够产生42 MW的输出功率,工作频率86 GHz,效率为10.5%。     

A design of resonant cavity with an improved coupling-adjusting mechanism for the W-band EPR spectrometer

We report a new design of resonant cavity for a W-band electron paramagnetic resonance (EPR) spectrometer. An improved coupling-adjusting mechanism, which is robust, compact, and suits with both solenoid-type and split-pair magnets, is utilized on the cavity, and thus enables both continuous-wave (CW) and pulsed EPR experiments. It is achieved by a tiny metal cylinder in the iris. The coupling coefficient can be varied from 0.2 to 17.9. Furthermore, two pistons at each end of the cavity allow for adjustment of the resonant frequency. A horizontal TE₀₁₁ geometry also makes the cavity compatible with the two frequently used types of magnets. The coupling-varying ability has been demonstrated by reflection coefficient (S₁₁) measurement. CW and pulsed EPR experiments have been conducted. The performance data indicates a prospect of wide applications of the cavity in fields of physics, chemistry and biology.     

W波段二次谐波突变复合腔回旋管数值模拟

通过对二次谐波低电压突变结构复合腔回旋管中谐振腔结构、模式竞争以及电子注-波互作用的研究,分析了高频结构特性、寄生模式的抑制和工作参数优化等问题。给出了3 mm 二次谐波低损耗TE02/TE03模式回旋管的模拟设计结果。计算采用了坡度磁场,互作用效率得到显著提高。PIC粒子模拟结果表明:在电子注电压25 kV、电流4 A、纵横速度比1.6、工作磁场1.72 T时,回旋管可获得37 kW 的输出功率,横向运动能量转换效率高达51%,器件效率为37%。     

内开槽矩形波导栅慢波电路高频特性的数值分析

介绍了用德国CST公司提供的MWS 4.2软件模拟计算色散特性和耦合阻抗的理论方法,对内开槽矩形波导栅结构的高频特性进行了数值模拟。结果表明：在传统矩形波导栅结构的基础上,开槽后的矩形波导栅结构比开槽前的相速更低,用作行波管的慢波结构时,可降低工作电压,工艺上容易实现,而且耦合阻抗均在45 W以上,满足毫米波行波管的要求;在内开槽宽度一定的前提下,槽深、栅间距和栅周期的增大对降低系统相速有利。     

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%。     

预调制型同轴虚阴极振荡器数值模拟

提出一种高效率预调制型同轴虚阴极振荡器,进行了数值模拟研究。研究表明:径向束流预调制型同轴虚阴极振荡器利用在束-波互作用区加载金属圆环形成谐振腔,改变束-波互作用区的电场,对电子束进行调制。圆筒形金属形成的调制腔产生的电场既对电子束进行了调制,同时对微波频率进行了锁定,其谐振频率主要是由加载的金属圆筒的长度和两个圆筒之间的径向距离决定。经过优化设计,在600 kV,73 kA无外加引导磁场的条件下,预调制型同轴虚阴极振荡器获得了平均功率6 GW,频率为2.575 GHz的微波输出,效率达到13.94%。     

预调制型同轴虚阴极振荡器数值模拟

提出一种高效率预调制型同轴虚阴极振荡器,进行了数值模拟研究。研究表明：径向束流预调制型同轴虚阴极振荡器利用在束-波互作用区加载金属圆环形成谐振腔,改变束-波互作用区的电场,对电子束进行调制。圆筒形金属形成的调制腔产生的电场既对电子束进行了调制,同时对微波频率进行了锁定,其谐振频率主要是由加载的金属圆筒的长度和两个圆筒之间的径向距离决定。经过优化设计,在600 kV,73 kA无外加引导磁场的条件下,预调制型同轴虚阴极振荡器获得了平均功率6 GW,频率为2.575 GHz的微波输出,效率达到13.94%。     

速调管输入腔开放腔的高频特性分析与实验研究

建立了带输入波导结构的S波段速调管放大器输入腔开放腔模型,利用3维软件对其高频特性进行了数值计算研究,并对输入腔结构进行了优化设计。利用已加工的输入腔进行了高频参数的冷测实验研究,实验中的输入腔结构尺寸与高频分析中的完全相同,实验结果与高频分析结果一致。用3维PIC程序对电子束经过该输入腔后的束流调制以及注入微波的吸收情况进行了模拟。模拟结果表明：该输入腔与微波注入波导匹配很好,注入微波能被电子束和谐振腔全部吸收,在输入腔间隙后37 cm处得到了13%的基波电流调制深度。