X波段10 GW高功率返波管振荡器设计

设计了一个高效率的高功率返波管振荡器,通过添加内导体并采用过模慢波结构,实现器件的高效率、高功率运行. 当电子能量和束流分别为1.3 MeV和17 kA时,采用2.5维Particle in Cell (PIC)程序模拟得到频率为8.8 GHz,功率为10.4 GW的微波输出. 关键词： 内导体 相对论返波管 过模慢波结构     

同轴引出电子束相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了一种L波段同轴引出电子束相对论返波振荡器,采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程,分析了二极管电压和导引磁场对产生微波频率和束-波转换效率的影响。模拟结果表明:该器件在小型化,中等磁场的条件下具有较高的束-波作用效率。在电子束能量700 keV,电子束流10 kA,导引磁场为1.0 T时,器件在频率1.62 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.2 GW,平均效率约为30%,器件最大径向半径仅为5.0 cm。     

波纹内导体返波振荡器的热腔特性

 导出了波纹内导体同轴慢波结构热腔色散方程，研究了周期波纹深度、电子注平均半径、电子注电流及加速电压对波纹内导体慢波结构的高频场时间增长率的影响。结果表明：慢波结构周期减小、波纹深度加深、电子注平均半径减小、电子注电流增大、加速电压增大均会使高频场时间增长率增大。建立了粒子模型并应用PIC粒子模拟软件进行仿真，对各影响参数进行优化，结果表明：当加速电压为0.5 MV、电子束电流85 kA、波纹周期长度4.4 cm、波纹幅度为0.23 cm、内轴平均半径为2.9 mm和外壁内径为4.4 cm时，可获得10 GHz，1.1 GW效率约25%的单频微波输出。     

阳极结构对过模返波振荡器长脉冲工作特性的影响

针对过模返波振荡器中泄漏微波在二极管区谐振, 造成微波脉冲缩短的现象, 设计了内置吸波材料的阳极结构来抑制这种泄漏微波对器件输出的影响。利用粒子模拟软件对不同阳极结构下过模返波管微波输出特性进行模拟研究, 模拟结果表明, 带吸波材料的阳极结构可以减小泄漏微波对微波输出功率、器件工作模式及脉冲宽度的影响。在长脉冲过模返波振荡器实验中, 电子束参数为（800 kV, 7 kA）时, 器件输出微波频率为8.58 GHz, 效率为30%。通过模拟计算和实验验证, 这种带吸波材料的阳极结构有效降低了泄漏微波对过模返波管微波输出的影响, 将器件输出微波脉冲宽度从70 ns提高到110 ns。     

低磁场过模慢波结构型高功率毫米波发生器的改进

 利用粒子模拟的方法设计了一个高功率毫米波发生器,并对其进行了实验研究及改进。采用过模慢波结构以增大束波作用空间,从而提高功率容量;为实现过模慢波器件的单模、单频工作,选择TM01模的π模作为工作模式。采用过模慢波结构,结合合理的器件结构设计,可降低器件工作所需的导引磁场。实验在TORCH-01加速器平台进行,产生的微波频率由色散线法测量,其功率由远场积分法得到。最初的器件采用矩形波纹慢波结构,得到频率为33.56 GHz、功率约110 MW的微波输出,但功率难以进一步提高,脉宽仅为7~8 ns,且在慢波结构边沿发现击穿痕迹。对矩形慢波结构进行倒圆角处理后,借助数值模拟,发现其TM01模的π模频率变化不大。改进后的器件在0.8 T导引磁场下,当电压和电流分别为590 kV与5.2 kA时,实验得到频率33.56 GHz、功率320 MW的毫米波输出,微波模式为准TM01模,效率约10%,脉宽延长至约13 ns,器件内表面无明显击穿痕迹。     

紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器，通过粒子模拟研究了L波段同轴相对论返波振荡器相互作用的物理过程，并对器件的电磁结构进行了优化和改进。分析表明，采用同轴慢波结构可以在较低的外加磁场下实现L波段返波振荡器的微波输出，同时可以大大减小微波器件的径向尺寸。这是因为同轴慢波结构的TM01模式有类似于TEM模的性质，没有截止频率，但纵向电场不为零，电子束能够与它发生强相互作用过程。粒子模拟优化结果表明，在器件半径仅为4.0 cm，电子束能量240 keV，电子束流1.8 kA，导引磁场仅为0.75 T时，返波振荡器可以在频率1.60 GHz处获得较大功率的微波输出， 平均峰值功率达140 MW，平均峰值功率效率约为32%。     

低频段紧凑型同轴相对论返波振荡器

基于P波段新型三周期慢波结构同轴相对论返波振荡器设计思想,设计了一个L波段同轴相对论返波振荡器。粒子模拟表明,在二极管电压591 kV、电流8.2 kA、导引磁场0.8 T时,获得了1.50 GW的微波输出,频率为1.64 GHz,效率达31%,器件慢波结构尺寸仅为f96 mm207 mm。分析了该器件实际高频结构的电动力学特性,重点研究了纵向谐振模式、品质因数等特点,并结合P波段的研究结果,得到了该类器件的相关设计指标:慢波结构长度约为一个波长,波纹周期约5/13波长,外波纹深度约1/10波长,内波纹深度约1/30波长,电子束半径约0.7倍外波纹平均半径,器件的纵向工作模式为0.8模,对应的Q值约16。     

Ku波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

 根据现有的慢波结构色散特性的理论分析,提出了一种Ku波段的磁绝缘线振荡器（MILO）。与常见MILO的慢波结构不同,该MILO的慢波结构通过增大扼流腔的外半径来实现扼流作用,以防止阴阳极击穿。利用3维电磁场模拟软件对Ku波段MILO的开放腔模型进行了分析,得到其谐振频率为13.536 GHz以及有载品质因数为43。同时利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟,进一步优化了MILO结构,研究了输出微波的功率效率与输入电压的关系,得到的最优工作电压为600 kV。在外加电压600 kV、束流47.4 kA的情况下,模拟得到的平均功率为3.69 GW,中心频率为13.62 GHz,功率转换效率为12.6%。     

无外加引导磁场相对论返波振荡器粒子模拟

设计了一种无外加引导磁场S波段相对论返波振荡器,采用阳极网提取电子,并设计了非均匀慢波结构。通过Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。典型模拟结果为:当二极管工作电压330 kV、电流2.83 kA时,器件在频率2.79 GHz处获得较高的微波输出,经27 ns后饱和,输出微波的功率达158 MW,效率约为16.8%。     

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。     

磁绝缘线振荡器谐振腔的高频特性研究

 利用数值方法计算了磁绝缘线振荡器(MILO)主慢波结构谐振腔和扼流腔的谐振频率和场分布。结果表明：当主慢波结构腔内半径为4.6 cm,扼流腔内半径为4.2 cm,阴极半径为3 cm时,MILO工作在3.6~4.4 GHz频率范围,扼流片可以阻止微波功率向脉冲功率源泄漏,这有利于提高器件微波输出的功率;4.5~4.9GHz频段为慢波结构的阻带,微波在该频段截止。计算了C波段MILO开放腔的谐振频率,当模式分别为3π/8,π/2,5π/8,3π/4时,其谐振频率分别为3.18,3.76,4.00,4.11 GHz;并通过实验测出了开放腔的谐振频率,其相应的值分别为3.80,3.94,4.08.4.18 GHz, Q分别为194,143,231,468。数值计算的谐振频率与实验测出的频率基本一致。     

TLCODE模拟方法介绍

探讨了TLCODE传输线模拟方法的基本原理、求解方法及步骤，推导了传输线驱动电阻负载、静态电感负载和混合型负载三种典型负载时末端界面电压的表达式，用PSPICE构造一个电路模型，以静态电感负载的计算结果为例，对所介绍的TLCODE方法及推导的公式模型予以验算。结果表明，在计算负载电压时，TLCODE与PSPICE的最大偏差仅为0.2%,在计算电流时，最大偏差仅为0.1%。     

一种新型高功率微波相移器

 研究了一种新型高功率微波相移器同轴插板式相移器,其设计思想为：在同轴波导内插入金属导体板,将同轴波导分为几个扇形截面波导,由于扇形截面波导中传输的TE₁₁模相速度与同轴TEM模的相速度不同,通过改变插入金属板的长度就可以实现相移的调节。设计了中心频率为4 GHz的同轴插板式相移器,并进行了数值模拟验证。结果表明：当相移器同轴波导内半径为2.0 cm,外半径为4.5 cm,相移器总长度为50 cm时,可实现的最大相移量为360°,在3.9~4.1 GHz频率范围内相移器的插入损耗低于0.1 dB。     

轴向反馈式虚阴极振荡器的频率特性

 采用粒子模拟和实验相结合的方法对轴向反馈式虚阴极振荡器进行了研究。结果表明，轴向反馈式虚阴极振荡器能够有效地锁定微波频率，提高输出功率。在二极管电压为450kV，束流为22kA的条件下，当阴阳极间距大于1.3cm时，辐射微波主频约为3.5GHz，此时与腔的耦合较好，微波辐射功率较高；当阴阳极间距小于1.3cm时，辐射微波主频约为4.8GHz。实验和模拟符合得较好。     

TM020模式谐振腔束团长度监测器的设计与仿真（英）

提出了一种基于高次模式的谐振腔束团长度测量技术,新方法的谐振腔工作于高次本征模式TM0n0。这样的谐振腔拥有更大的腔体半径,从而移除了谐振腔半径必须大于束流管道半径这一原则带来的工作频率限制。为国家同步辐射实验室未来的正电子源设计了一台双腔束团长度监测器,讨论了谐振腔工作频率的选择并推导了束团长度的计算公式,监测器的谐振腔工作于TM020模式,其半径远大于使用TM010模式的传统方法,在CST软件中模拟的结果显示其束团长度测量精度好于7%。     

RF behavior of triple-frequency high power fusion gyrotron

The RF behavior of high power, triple frequency (170-, 127.5-, and 85 GHz) gyrotron for fusion application is presented in this paper. The operating mode selection is discussed in detail for each corresponding frequencies and TE_34,10, TE_25,8 and TE_17,5 modes are selected as the operating mode for 170 GHz, 127.5 GHz and 85 GHz operation of the device, respectively. The interaction cavity geometry and beam parameters are finalized by the cold cavity analysis and beam-wave interaction simulations. Considering the beam parameters and the beam launching positions in cavity (beam radius), the design of Magnetically Tunable MIG (MT-MIG) is also presented. Results of MT-MIG confirm the beam launching with desired beam parameters at the beam radius corresponding to the selected operating modes for all three frequencies. The CVD diamond window is also designed for RF power transmission. The beam-wave interaction simulations confirm more than 1 MW power at all three frequencies (170-, 127.5-, and 85 GHz).     

过模同轴转弯波导的设计

介绍了一种过模同轴转弯波导的基本原理,分析了过模同轴波导基模实现高效率转弯传输的条件及转弯过程中的模式问题,设计了中心频率为4.0GHz、转弯角度为45°的过模同轴转弯波导。数值计算结果表明:过模同轴转弯波导在中心频率的基模传输效率大于99%,反射系数为0.04;在3.8~4.2GHz的频率范围内基模传输效率大于95%,反射系数小于0.22。该过模同轴转弯波导的转弯半径约80mm,具有转弯半径小、结构简单、转弯角度灵活的特点,且内部无介质支撑,适用于高功率微波馈线系统中过模同轴波导基模的转弯传输。     

一种新的永久周期磁铁聚焦的高功率宽带放大器

 提出了一种新的高功率宽带放大器，它由速调管和自由电子脉塞组成，用永久周期磁铁聚焦。研究了这种器件的电子束聚焦、群聚和辐射。在速调管提供一阶调制系数为30%，波导管的半径1.51cm，摇摆器的磁场振幅0.16T，周期7.92cm，电子束的电压490kV，电流50A和半径0.368cm的条件下，预估这种器件的辐射波频率为11.4GHz，输出辐射功率为18MW，输出辐射带宽为44%。