相对论速调管放大器两腔束流调制的理论与模拟比较分析

采用一维自洽束波互作用的非线性理论,探索了相对论速调管放大器(RKA)的束流调制特性,并与二维PIC结果进行了比较和分析。首先推导了环形电子束的几何因子,然后分别给出了两腔调制时归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程。采用调制电子束激励中间腔的非线性理论估算了中间腔间隙电压的幅度和相位,幅度的相对误差为0.07%,相位误差为2.15°。给出了输入腔和中间腔的间隙耦合系数公式,对于束压为715.2 kV、束流为8 kA的电子束,当输入腔和中间腔间隙电压分别为14,315.2 kV,输入腔和中间腔相位差为90.59°时,采用一维非线性理论和二维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系。对于基波电流调制系数,中间腔之前处于线性区,理论值与模拟值比较一致;在中间腔内部基波电流调制系数出现明显的下降,理论值与模拟值之间的差距较大;中间腔之后处于非线性区,对于基波电流调制系数的最大值和对应的纵向位置,理论值与模拟值基本一致。当束流传输距离为65.8 cm时,计算了归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和电荷守恒参量N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化情况。     

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%。     

L波段相对论速调管的3维粒子模拟

采用高频场软件对输入腔、中间腔和输出腔的高频特性进行冷腔分析。利用3维粒子模拟软件对L波段强流相对论速调管进行整体建模,模拟分析了整管工作情况,并讨论了3维模型中输入、输出耦合结构的引入对结果的影响。模拟参数为:电子束电压500 kV,电流5 kA,微波频率1.3 GHz,输出平均功率600MW,效率约25%。     

相对论速调管中间腔与调制电子束间的非线性互作用

在强流相对论电子束驱动的相对论速调管放大器中, 由于强流和高场强的影响, 尤其是中间腔具有高Q值, 微波腔与电子束之间的非线性作用很明显, 严重影响器件性能. 根据麦克斯韦方程组以及电子在微波场作用下运动方程给出了中间腔的束-波互作用自洽方程. 从这些方程出发, 研究了调制深度和调制频率对间隙电压幅度和相位的影响. 对比常规速调管的等效电路模型, 自洽公式给出的间隙电压幅值同粒子模拟结果更接近, 尤其是较高调制深度的情况. 同时器件带宽随调制深度的增加而变宽, 这也同粒子模拟结果一致. 由此设计了一个S波段高增益相对论放大器, 在LTD (长脉冲螺旋线)加速器上开展了相应的实验工作, 实验上获得了1.1 GW的输出功率, 器件增益49 dB. 关键词： 相对论速调管 非线性互作用 自洽方程     

S波段相对论速调管放大器输入腔的3维分析与模拟

 利用3维软件设计了适用于S波段相对论速调管放大器的单重入输入腔,该腔体采用了偏心设计,以便减小耦合孔处的不均匀场对腔间隙场的影响,分析了腔体耦合孔尺寸对腔间隙场均匀性的影响;建立了带输入波导结构的3维输入腔开放腔模型,并应用此模型,采用3维PIC程序模拟了注入微波功率、束直流对输入腔间隙后束流调制的影响。研究结果表明：耦合孔尺寸对腔间隙电场均匀性影响较大,当耦合孔离轴越近时,腔间隙场越不均匀;在结构参数和束参数固定的条件下,基波电流调制深度随着间隙电压的增加而增加,但达到最大基波调制电流的漂移距离几乎不变;在结构参数和注入微波参数固定的条件下,束直流越大,达到最大基波调制电流所需的漂移距离越短。研究结果为腔体的设计和输入腔束流调制实验提供了参考依据。     

感性加载宽间隙腔相对论速调管的粒子模拟

 通过粒子模拟的方法研究了三腔结构的感性加载宽间隙腔相对论速调管放大器,分析了宽间隙腔中垫圈/杆等参数对于束流调制的影响。模拟结果表明:感性加载的宽间隙腔能够克服宽腔所带来的势垒效应,增加电子束与腔的作用时间,提高束流调制和能量提取的效率。模拟中采用500 keV,6 kA的电子束,经过两腔调制得到了约4.5 kA的调制电流,调制深度接近80%;采用渐变结构的输出腔,得到功率约1.2 GW,频率2.86 GHz,效率为40%的输出微波。     

S波段大间隙速调管放大器输出腔的3维模拟

 利用3维高频软件设计了一种用于S波段大间隙速调管的膜片加载大间隙单重入输出腔,建立了带大耦合孔的输出腔3维全结构模型,采用3维PIC程序对输出腔的提取效果进行了粒子模拟。研究结果表明：膜片加载的大间隙单重入输出腔开大耦合孔后,其所有谐振频点的场分布都不再是TM ₀₁₁模式,因此,在设计此类输出腔时不能以工作频点是否谐振为优化目标。提出了大间隙输出腔设计原则,根据设计原则优化后的输出腔可稳定提取1.07 GW的平均功率,提取效率约35.7%。     

大间隙C波段三轴速调管束流调制模拟研究

利用SUPERFISH软件设计了一种兼具大间隙速调管及三轴速调管优势的C波段大间隙三轴速调管,对所设计大间隙三轴速调管的束流传输及调制情况进行了2维粒子模拟研究。模拟结果表明,三轴速调管设计需要特别关注"模式泄露"问题以及谨慎选择内导体接地支撑杆的位置,以获得稳定传输的电子束。综合考虑上述两个条件,在440 kV的二极管电压下,5.0 GHz,200 MW的强注入功率可以获得11.8 kA的基频调制积分电流,束流调制深度88%,调制电流峰峰值大于40 kA,且调制电流具有良好的频率及相位稳定性。在此基础上,初步模拟得到了大于2.0 GW的平均微波功率,平均效率约33.8%。     

多注RKA束流调制的理论与模拟比较分析

采用非线性理论探索了同轴多注相对论速调管放大器(CMRKA)的束波互作用特性，并与PIC结果进行了验证分析。首先推导了实心电子束的几何因子，然后分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程，并给出了多注速调管放大器的同轴输入腔间隙耦合系数的公式。对于束压为600 kV、束流为5 kA的16注电子束，当输入腔间隙电压分别为4.6，32.7，189 kV时，采用一维非线性理论和三维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系，理论和模拟结果比较一致。当间隙电压为4.6 kV时，理论计算了多注电子数的个数分别为8, 12, 16以及实心电子束的半径与单注电子束通道半径比6/15, 8/15, 10/15(通道半径不变)时基波电流调制系数随传输距离的变化。结果表明，随着多注电子数的个数和电子束半径的增加，基波电流调制系数有逐渐变大的趋势。此外还计算了当间隙电压为20 kV时，归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和归一化常数N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化。     

大间隙速调管输出腔支撑杆的3维设计

利用3维高频软件对大间隙速调管输出腔及其同轴提取波导金属支撑杆进行了高频分析,建立了带双排金属支撑杆的大间隙输出腔3维结构模型,采用3维PIC程序对该输出腔的提取效果进行了粒子模拟。研究结果表明:作为输出腔同轴提取波导支撑的第二排支撑杆,和兼作输出腔腔壁的第一排支撑杆,都会影响输出腔的高频谐振特性,因此必须结合大间隙输出腔进行一体化设计;此时同轴提取波导支撑杆设计的基本原则不以追求最高的TEM模式传输效率为目的,而是通过控制双排支撑杆的散射特性,得到合适的外部品质因数和间隙电场强度。在注入电功率约2.9 GW,束流调制深度90%时,设计的带双排支撑杆的3.6 GHz大间隙输出腔结构,可提取约1.06 GW的平均功率,效率约36.5%。     

多注速调管的3维数值计算

 用KARAT-3D全电磁PIC程序,对多注速调管设计模型波束相互作用的物理过程进行3维数值模拟,给出了输出功率、电流等基本的物理参数。在输入电压14 kV,电流20.8 A时候,得到了128 kW的峰值输出功率,峰值效率是43.8％。考察了电子在高频场的运动和电流调制,分析了电流在各互作用腔中的调制,并对多注速调管不同发射度时电子传输进行了研究。结果表明：电子均匀发射时高频场的调制对电流传输效率影响不大,电流和电场调制随着腔的增加而增加。电子能量在输出腔的位置减小很多,电子有一部分能量转化为微波。     

电子束收集极对大间隙速调管输出腔效率的影响

 利用高频电磁软件对带电子束收集极的S波段大间隙输出腔进行了高频特性分析,采用3维PIC程序模拟了电子束收集极对大间隙速调管输出效率的影响。研究结果表明：收集极的存在会改变输出腔的本征谐振频率和电子束路径上的特性阻抗等高频特性,但收集极可以短路间隙附近的径向电场,减小电子束的空间电荷压力,同时对群聚电子进行再加速,从而提高大间隙速调管的输出效率;在束电压700 kV,直流电流6 kA时,优化后的带收集极的大间隙输出腔可稳定提取大于1.68 GW的微波功率,提取效率约40.1%,比无收集极时提高约5%。     

X波段相对论大功率速调管放大器的高频结构模拟研究

采用MAGIC 2.5D模拟软件,建立了X波段11.424GHz相对论大功率速调管放大器的高频结构模型。该模型由5个简单药盒型谐振腔组成,包括1个输入腔、3个中间腔和1个输出腔。研究了该模型的高频特性,初步设计漂移管及各谐振腔结构参数,再结合热腔模拟,研究了输入腔的吸收匹配问题,依据各腔体对基波电流逐级调制情况,优化配合各腔体的间隙等结构参数,从而获得电子束的最佳调制状态,最后通过调节外加均匀磁场大小获得百MW功率输出,结果表明:在加速电压520kV、束电流460A、外加磁场0.4T的条件下,当注入信号功率为1kW时,基波电流调制深度达162%,最终输出功率105MW,效率43.5%,增益50dB。     

Ka波段带状注相对论扩展互作用速调管放大器的分析与设计

带状注相对论扩展互作用速调管放大器是一种高功率、高频率的微波毫米波放大型器件, 具有广阔的应用前景. 本文分析了扩展互作用结构多间隙谐振腔的渡越时间效应, 推导了2π模场情况下谐振腔的能量交换系数和电子负载电导, 且通过计算表明工作在2π模式三间隙腔的电子负载电导是单间隙腔的9倍左右, 多间隙结构有利于提高器件效率. 利用三维粒子仿真软件, 对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用速调管放大器进行了模拟研究, 采用宽高比为30:1的带状电子束以降低空间电荷效应, 在电子束电压为500 kV, 束流为1 kA, 轴向引导磁感应强度为0.8 T的情况下, 器件输出微波功率为190 MW, 频率为40 GHz, 器件效率为38%, 器件增益为69 dB.     

新型高功率径向强流速调管振荡器

 提出了一种新结构的高功率径向强流速调管振荡器,该器件利用折叠式同轴谐振腔的微波场与接近空间电荷限制电流的径向电子束强烈相互作用产生高功率微波。首先对这种器件的实现机理进行了初步的分析，提出了有间隙电压情况时的径向同轴间隙的空间电荷限制电流1维近似估计模型。分析表明：对于电子束直流接近但小于直流空间限制电流的径向速调管，当有调制间隙电压时，空间限制电流要小于无调制间隙电压情况下的直流空间限制电流，径向强流电子束电流接近和超过空间电荷限制电流时会出现强烈的调制。然后用PIC程序对其特性进行了粒子模拟，在二极管输入电压500 kV、电子束电流为30 kA条件下，最终得到了峰值功率6 GW、频率1.3 GHz的微波输出。     

C波段50 MW行波输出速调管设计

设计了导流系数1.53 P的电子枪,枪内场强低于22.1 kV/mm,阴极平均负载小于6.3 A/cm2;采用部分屏蔽流均匀场电磁聚焦系统,实现了对电子注的良好聚焦;设计了C波段/2模盘荷波导行波输出结构,采用CST软件对其色散特性、耦合阻抗进行了计算分析。首先以单间隙输出腔代替行波输出结构对5腔注-波互作用系统进行计算,确定了前4腔的设计参数,然后采用PIC模拟软件对具有盘荷波导结构的输出系统进行了三维模拟,获得了大于50 MW的输出功率,效率大于45%,饱和增益大于50 dB,盘荷波导结构间隙电压比单间隙输出腔下降30%,效率提高4%。