X波段短脉冲相对论返波管设计与初步实验

对基于短电子束脉冲超辐射机理的X波段相对论返波管进行了优化设计和粒子模拟,结果表明：在超辐射机理作用下,该器件能实现高峰值功率和高功率转换效率的微波辐射。在小型Tesla脉冲源基础上设计了阻抗变换段、二极管、磁场系统等装置,建立了一套小型窄脉冲电子加速器,以此为实验平台在低磁场条件下进行了器件的初步实验研究。在磁场0.73 T、束压约380 kV、束流约4.5 kA、脉宽3.1 ns条件下,实验获得的微波脉冲峰值功率约360 MW,脉宽1.10 ns,上升沿800 ps,频率9.15 GHz,功率转换效率为21%。     

X波段重复频率GW级超辐射相对论返波管

运用超辐射机理,通过粒子模拟设计了X波段超辐射相对论返波管,并在小型Tesla脉冲源平台上开展了实验研究。通过空间功率积分和直接对辐射微波时域波形的分析得到实验结果:在束压350 kV、束流4.8 kA、脉宽3.1 ns、引导磁场2.2 T条件下,产生的微波辐射功率1.4 GW,中心频率9.36 GHz,脉宽500~700 ps,辐射模式为TE11,能在重复频率100 Hz下稳定运行。功率转换效率超过80%。实验结果与粒子模拟结果比较吻合,成功实现了在短脉冲条件下产生重复频率、亚纳秒脉宽、GW级微波辐射。     

C波段长脉冲相对论返波管设计与实验

从抑制强场击穿的角度出发,结合传统理论和相关粒子模拟方法,设计并优化了工作于C波段的长脉冲相对论返波管。模拟中,利用强流相对论电子束的空间电荷场效应,将3 GW功率水平下电动力学结构表面的最大发射电场控制在700 kV/cm以下。利用实验室700L脉冲功率驱动源平台开展了相关实验验证,实验结果表明,通过合理的结构设计,在功率3 GW级水平下,C波段相对论返波管中的脉冲缩短问题能够得到有效抑制。实验中,当工作电压760 kV、电流为9.0 kA时,在4.23 GHz频点处获得的输出微波功率为2.8 GW,微波脉冲半高宽约101 ns,功率转换效率约41%,实验结果与模拟结果吻合较好。     

X波段重复频率GW级超辐射相对论返波管

运用超辐射机理,通过粒子模拟设计了X波段超辐射相对论返波管,并在小型Tesla脉冲源平台上开展了实验研究。通过空间功率积分和直接对辐射微波时域波形的分析得到实验结果：在束压350 kV、束流4.8 kA、脉宽3.1 ns、引导磁场2.2 T条件下,产生的微波辐射功率1.4 GW,中心频率9.36 GHz,脉宽500~700 ps,辐射模式为TE11,能在重复频率100 Hz下稳定运行。功率转换效率超过80%。实验结果与粒子模拟结果比较吻合,成功实现了在短脉冲条件下产生重复频率、亚纳秒脉宽、GW级微波辐射。     

X波段相对论返波管谐振反射器

基于TPG2000强流电子束加速器和带谐振反射器的相对论返波管振荡器,开展了X波段高功率微波产生实验研究,获得了功率约2.5 GW,脉宽约20 ns的微波输出。理论分析及模拟了不同倒角大小对谐振反射器的表面电场及截止性能的影响,并对不同倒角开展了实验研究。结果表明,对谐振反射器倒角可增加输出微波脉冲宽度,且随着倒角增加,微波脉宽增加,效率略有降低。在谐振反射器倒角5 mm情况下,利用电压900 kV,电流9 kA的强流电子束,实验获得了功率约2.5 GW、脉宽大于25 ns的微波输出。     

X波段相对论返波管谐振反射器

基于TPG2000强流电子束加速器和带谐振反射器的相对论返波管振荡器,开展了X波段高功率微波产生实验研究,获得了功率约2.5 GW,脉宽约20 ns的微波输出。理论分析及模拟了不同倒角大小对谐振反射器的表面电场及截止性能的影响,并对不同倒角开展了实验研究。结果表明,对谐振反射器倒角可增加输出微波脉冲宽度,且随着倒角增加,微波脉宽增加,效率略有降低。在谐振反射器倒角5 mm情况下,利用电压900 kV,电流9 kA的强流电子束,实验获得了功率约2.5 GW、脉宽大于25 ns的微波输出。     

变阻抗相对论返波管的粒子模拟研究

 设计了一种X波段耦合阻抗单阶跃变型相对论返波管结构,运用2.5维全电磁粒子程序模拟分析了器件中注波互作用过程,仿真了器件效率与电子注参数的依赖关系,得到了器件在500kV,5.5kA电子注驱动下,能辐射出峰值功率800MW,频率为（9.16±0.03）GHz的微波,工作模式为TM₀₁模式,效率为30%。在截止波导与慢波结构之间设置一段长度合适的光滑漂移段,通过改善正向波基波对电子注的初始调制效果,器件最优化效率可进一步提高到38%。     

3cm相对论返波管的实验研究

简述相对论返波管的基本原理,详细介绍了实验装置与测试方法,报导了初步实验结果,在3cm波段峰值功率约98MW,效率10％左右。     

变阻抗相对论返波管的粒子模拟研究

设计了一种X波段耦合阻抗单阶跃变型相对论返波管结构,运用2.5维全电磁粒子程序模拟分析了器件中注波互作用过程,仿真了器件效率与电子注参数的依赖关系,得到了器件在500kV,5.5kA电子注驱动下,能辐射出峰值功率800MW,频率为（9.16±0.03）GHz的微波,工作模式为TM01模式,效率为30%。在截止波导与慢波结构之间设置一段长度合适的光滑漂移段,通过改善正向波基波对电子注的初始调制效果,器件最优化效率可进一步提高到38%。     

基于超辐射机理产生X波段高功率亚纳秒脉冲研究

设计了一种基于超辐射机理的X波段相对论返波管结构, 利用全电磁2.5维粒子模拟程序对返波管中的超辐射机理进行了粒子模拟研究. 模拟表明: 在束430kV、束流4kA, 脉宽3.1ns的电子束驱动下,实现了峰值功率1.5GW、频率10GHz、脉宽500ps的亚纳秒微波脉冲输出, 峰值功率转换效率达到87.2%;在超辐射机理作用下, 微波峰值功率与电子束脉宽在一定的范围内成平方关系.     

磁压对级联爆磁压缩脉冲发生器性能的影响

为了研究负载为mH量级的间接馈电两级级联柱-锥构型的爆磁压缩产生器的基本物理过程和能量转换机理，利用描述爆磁压缩物理过程的2维爆轰磁流体力学程序MFCG(Ⅴ)，以实验模型结构参数为基础模拟计算了一系列模型，分析了磁压对金属套筒径向膨胀速度及膨胀过程的影响。计算结果表明:套筒的径向膨胀速度取决于爆轰压与磁压的共同作用，在爆磁压缩过程的绝大部分时间里，向外膨胀的爆轰压都远大于向内压缩的磁压，因而套筒的径向膨胀速度主要是由爆轰压决定;但是在功率放大级的后半段，也就是发生器电流增长最快阶段，磁压也迅速增长，它的增长大大降低了套筒的径向膨胀速度；在功率放大级的后期，磁压已经超过爆轰压，它对系统设计的影响已经不能完全忽略。     

一种X波段过模高效率相对论返波管

设计了一种X波段过模高效率相对论返波管(RBWO),主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6,电子束与结构波TM₀₁模的近π模相互作用,在慢波结构区域束波作用产生的TM₀₁模表面波主要转化为TM₀₂模的体波,其输出微波的模式主要为TM₀₂模,占比为81%,其余为TM₀₁模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路,结合模式匹配法,优化得到了一种双谐振腔反射器结构,其对TM₀₁模与TM₀₂模的反射系数均大于0.99,可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离; 同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制,将促进慢波结构区域的束波作用,有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔,进一步提升了转换效率。PIC仿真中, 在二极管电压900 kV,电流14.3 kA,得到了6.6 GW的输出功率,转换效率约51%。     

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。     

双频相对论返波振荡器的数值模拟

 提出了X波段双频两段式同轴相对论返波振荡器的物理模型,推导了该结构在冷腔时的TM0n模式色散方程,数值求解了两段式同轴波纹慢波结构TM01模色散曲线;用粒子模拟软件对其结构和电磁参数进行分析研究,优化得到的结构参数为第一、二段分别为10个和4个周期数,周期长度分别为0.50 cm和 0.73 cm,波纹幅值分别为0.13 cm和0.21 cm,平均半径为2.9 cm,同轴间隙为2.1 cm。结果表明:在环形相对论电子注电压为510 kV、电流为9.4 kA,引导磁场为0.7 T的条件下,器件得到了X波段稳定的高功率双频微波输出,其平均功率约为0.75 GW,平均功率效率为15.6%。     

亚纳秒毫米波返波管粒子模拟与实验研究

利用KARAT程序对亚纳秒毫米波返波管进行了粒子模拟,并在电压可调范围10~150 kV、负载阻抗50 W的RADAN303脉冲源上开展了亚纳秒毫米波返波管器件实验研究。在电子束电压200 kV、电流500 A、脉冲宽度1.65 ns、引导磁场1.7 T情况下,得到毫米波输出,辐射功率40 MW,脉冲宽度500 ps,频率37.6 GHz,重复频率10 Hz,辐射模式TE11。