带有反射腔的相对论返波管初步实验研究

 阐述了带有反射腔的相对论返波管的初步实验研究进展。反射腔是一段不规则的圆波导,在相对论返波管中起到截止颈的作用。初步实验的结果为：外加磁场B_z =0.82T时,输出微波功率为170MW,微波频率8.874GHz,脉宽为10ns;外加磁场B_z =1.7T时,微波功率为370MW,频率与脉宽不变;根据辐射场功率密度分布判定传输模式为TM₀₁模。结果表明：带有反射腔的返波管在较低外加磁场下也能够工作。     

带有反射腔的双频相对论返波管的粒子模拟

 设计了一种带有反射腔的能在X波段实现稳定双频输出的圆柱结构相对论返波管,采用2.5维相对论全电磁PIC粒子模拟软件行粒子模拟研究。仿真结果表明:在输入电压433 kV、引导磁场2.2 T的条件下,实现了9.53,10.09 GHz的双频稳定输出,平均输出功率340 MW,平均功率效率24.1%。     

单电子束双波段同轴相对论返波管粒子模拟

设计了一种能在C波段和X波段实现稳定双频输出的带有非对称谐振反射腔的单电子束同轴相对论返波振荡器。采用耦合阻抗跃变型慢波结构,使用粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示:轴向电场在系统中的分布得到改进,电子束的能散得到改善。在电子束电压511 kV,电流8.95 kA,引导磁场0.73 T的条件下,双频器件实现了8.09 GHz和9.91 GHz的双波段频率稳定输出,平均功率为1.0 GW,波束互作用效率为21.9%, 效率高于空心双波段返波管及其他双波段器件。器件辐射功率的拍频为1.82 GHz,拍波更为明显和稳定。模拟研究中同时发现, 随着慢波结构之间漂移段的变化,双频频率都呈现一种准周期的变化。     

圆极化TE11输出模式旋向可在线切换的相对论磁控管模拟研究

提出了一种圆极化TE₁₁输出模式旋向可在线切换的相对论磁控管。该器件互作用区结构采用同腔型磁控管结构,输出结构采用全腔提取结构,励磁系统采用Helmholtz线圈磁场系统。本文利用全腔提取结构的模式激励理论对该器件的输出模式成分进行了理论分析,利用粒子模拟软件对该器件的工作性能进行了模拟研究。粒子模拟结果表明:在外加电压770 kV和外加轴向磁场0.2 T（方向与微波轴向输出方向同向）的条件下,该器件的工作模式为5π/6模,工作频率为2.35 GHz,输出功率为3.86 GW,功率效率达到55.5%,输出模式为右旋圆极化TE₁₁模式且模式纯度达到99%以上;当外加轴向磁场与微波轴向输出方向反向时,该器件的输出模式即可在线切换为左旋圆极化TE₁₁模式,而其他输出性能基本保持不变。     

X波段重频过模返波振荡器实验研究

根据两腔振荡器和返波管的特点研制了过模结构返波振荡器, 该器件主要由调制腔和换能腔(慢波结构)两部分组成. 调制腔既是电子束的预调制腔, 也是微波谐振反射腔, 它同换能腔形成一个过模微波谐振腔,经调制腔调制后的电子束在换能腔中实现束波能量转换. 根据加速器的电子束参数(束压为1 MV,束流为20 kA)设计了一个X波段的高功率微波器件,2.5维粒子模拟程序模拟得到微波频率为8.25 GHz,输出功率为5.70 GW. 用超导磁体作为引导磁场,单次运行输出微波功率为5.20 GW,微波频率为(8.25±0. 关键词： 两腔振荡器 返波振荡器 多波切连科夫发生器     

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7π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,模拟得到了频率为4.5GHz,平均峰值功率为0.96Gw的C波段的高功率微波输出,分别通过相空间图和不同腔内射频场随时间的变化曲线可以确定器件工作在2π模,效率约为18%,且频谱纯净.当进一步对参数进行优化后,在注入的电子能量和电子束流分别为1.05MeV和20.7kA,外加磁场为0.7T时,得到平均功率达到约4.4GW,频率为4.37GHz微波输出,效率约为20%.     

新型高效率虚阴极振荡器

结合低磁场返波管振荡器和虚阴极振荡器的优点,设计了一个具有较高效率的虚阴极振荡器,通过添加半反射腔,使虚阴极在由阳极箔、波导和半反射腔组成的准谐振腔内形成,实现器件的高效率、高功率运行。当电子能量和束流分别为480keV和23kA时,采用2.5维粒子模拟(PIC)程序模拟得到频率为3.7GHz、功率为2.6GW的微波输出,器件束波转换效率约为23%。     

过模返波管的正反馈机制

作为一个典型的高功率微波振荡器,过模返波管(backward wave oscillator,BWO)的束波互作用过程复杂,束流负载效应影响明显,但是作为振荡器本身,其本质就是一个正反馈电路,电子从阴极发射后,穿过谐振反射腔和慢波结构(slow-wave structure,SWS),在SWS区电子动能转化为微波能,其中的一部分微波反馈到谐振反射腔,实现对电子束的调制,其他微波通过后面输出端口向外辐射.本文根据这种正反馈机制,建立器件工作模式等效电路和束波互作用的自洽过程,从理论上给出正反馈机制对器件模式控制、起振电流等参数的影响,并模拟研究了这种反馈机制对模式控制的影响,由此设计了一个能够在(1 MV,20 kA)电子束条件下克服模式竞争的过模BWO,其微波输出功率为7.9 GW,频率为8.68 GHz,相应的效率为39.5%.     

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     

同轴引出相对论返波管

 提出一种新型相对论返波管 同轴引出相对论返波管结构。首先,利用KARAT软件对这种结构进行了2.5维全电磁粒子数值模拟,经过参数调整,输出的微波脉冲功率为2.0GW,微波频率为9.28 GHz,转换效率达45%。并在模拟中对电子束与电磁波的作用过程进行了跟踪和分析;然后利用SUPERFISH软件对此结构中的场分布进行了计算,结合PIC模拟结果,初步证明了由于内导体的引入改变了返波管末端的反射,有利于电子束与电磁波的能量交换。     

带谐振腔反射器的低磁场返波管实验研究

 谐振腔反射器到慢波结构输入端之间的漂移段长度对返波管效率有较大影响，文章对该影响进行了理论分析和数值模拟。结果表明：由于谐振腔反射器对电子束的预调制作用，返波管输出功率随漂移段长度的增加而呈现多峰值现象，在选取合适的漂移段长度时，可以显著提高其微波产生的效率。在SINUS－881加速器上开展实验，在引导磁场为0.7 T，漂移段长度为4.9 cm的条件下，实验获得了功率为700 MW，频率为8.7 GHz，脉宽20 ns的微波输出，效率约14%。实验研究证实了模拟结果的正确性。     

一种提高相对论返波管功率容量的方法

 对相对论返波管实验中射频击穿现象进行了分析和数值模拟研究,发现谐振反射器和慢波结构的局部场增强诱导了场致电子发射,引起了金属表面的射频击穿,通过研究分析,提出采用分布反馈式谐振反射器,并采用梯形倒角非均匀慢波结构替换正弦慢波结构的方法来抑制射频击穿。数值模拟研究表明,在微波功率2 GW时,改进后的反射器最大场强由1.4 MV/cm降低为570 kV/cm,慢波结构表面最大电场由1.1 MV/cm降低到780 kV/cm。改进后的结构在二极管电压765 kV时获得了微波功率2.2 GW、脉宽45 ns的实验结果,微波功率和脉宽得到显著提升。     

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。     

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670keV和8kA的条件下,当引导磁场强度为0.5T时,采用2.5维PIC程序模拟得到频率为6.28GHz、功率为1.0GW的微波输出;而当引导磁场强度为0.8T时,得到频率为9.25GHz、功率为0.75GW的微波输出。     

相对论返波管慢波结构的起始端设计

 对相对论返波管的慢波结构中横磁模－TM₀₁模的空间谐波系数进行了理论计算。理论上证明采用所述的4种方法构造的有限长度的慢波结构谐振腔,其一些电动力学特性可以等效为无限长结构的特性。根据慢波结构内场分布的特点和计算机数值模拟结果,提出为了提高相对论返波管的转换效率,一般选择慢波结构的起始端从波纹最深处开始。     

X波段永磁包装相对论返波管研制

设计了一个X波段相对论返波管,通过对器件结构的特殊设计,提高了器件的Q值,同时增大了电子束与慢波结构之间的耦合阻抗,从而实现器件的低磁场运行以便对其进行永磁包装;当引导磁场强度0.46 T、电子束束压750 kV、束流约5.5 kA时,得到频率9.1 GHz、功率1.24 GW的微波输出。根据模拟结果设计加工了一个磁场强度为0.46 T的小型化永磁磁体,该磁体长48 cm,最大外半径15 cm,总重量约116 kg。开展了永磁包装返波管的实验研究,得到以20 Hz的频率运行1 s时功率900 MW、单次运行时功率940 MW的X波段微波输出。     

L波段同轴相对论返波振荡器导引磁场设计

设计了一个用于为L波段同轴相对论返波振荡器提供导引磁场的双线绕制、分段磁场线圈系统。根据粒子模拟中对磁场的要求和实验室已有的条件来确定磁场的各参数,通过数学软件Mathcad和全电磁粒子模拟程序Karat对设计出的轴向磁场位形进行验证。采用基于Hall效应的Tesla计对加工好的磁场线圈产生轴向磁场空间分布进行了测量,同时利用电子束轰击尼龙靶来考察电子束被导引的效果。利用绕制好的磁场线圈开展了初步实验研究,在二极管电压655kV,电子束流为10.4kA,导引磁场0.7T的条件下,输出微波峰值功率约为864MW,微波波形半高宽为23ns,功率转换效率约为12.7%,频率1.61GHz。     

高功率窄脉冲毫米波返波管粒子模拟与实验研究

采用数值模拟方法优化设计出BWO(Backward Wave Oscillator)慢波结构, 并在RADAN303加速器平台上进行了实验研究, 在电子束电压177kV、电流785A、磁场强度1.7T的条件下, 产生毫米波辐射功率18MW、频率39.8GHz、脉冲宽度3ns、模式为TE₁₁的毫米波输出.