X波段六腔渡越管振荡器的高频特性研究

 从麦克斯韦方程出发，采用时域有限差分法（FDTD）和离散傅里叶变换（DFFT）相结合的方法，通过数值计算得出了六腔开放式谐振腔中前四个谐振频率和场分布，计算出的谐振频率与实验测量结果基本相同。比较了开放腔和封闭腔谐振频率，验证了TEM波吸收边界条件，并在实际编程计算中得以应用。计算结果为六腔渡越管振荡器的机理研究提供了依据。     

X波段五腔渡越管振荡器的理论与实验研究

 提出了一种新结构的X波段五腔渡越管振荡器，进行了理论和实验研究。根据场分布进行了一维非线性分析，结果表明该结构可以产生高功率微波，并判断了工作模式，为TM₀₁模的3π/5模。采用粒子模拟验证了一维非线性分析的结论，并优化设计出五腔渡越管振荡器,优化结果为：输出功率约1 GW， 工作频率9.3 GHz，束波转换效率约22%。实验中，通过参数调节，得到频率约9.25 GHz，峰值功率约780 MW，脉宽（半高宽）21 ns的输出微波，束波转换效率约为16%。实验结果与模拟结果基本符合。     

双间隙输出腔开放腔的高频特性分析

 建立了S波段相对论速调管放大器双间隙输出腔开放腔的3维模型。采用时域有限差分法，通过监测激励电流源的响应计算了该双间隙输出腔的谐振频率、有载Q值、场分布以及特性阻抗，并分析了腔体结构尺寸对谐振频率、有载Q值和特性阻抗的影响。研究表明：腔体半径对开放腔的谐振频率影响很大，耦合孔尺寸对腔体谐振频率的影响较小；随着耦合孔张角增加，有载Q值逐渐减小；随着腔体半径增大、间隙的减小，腔体特性阻抗降低。研究结果可为S波段强流相对论速调管放大器双间隙输出腔的设计提供理论依据。     

线性变压器源驱动相对论速调管放大器的初步实验

 利用新研制的紧凑型线性变压器驱动源（LTD）脉冲功率源二极管产生的电子束源,开展了S波段长脉冲相对论速调管放大器（RKA）的初步实验研究。采用无箔空心阴极和0.9 T恒流源引导磁场从LTD二极管引出了电压600 kV、束流6 kA、脉宽150 ns的环形电子束,该电子束经过1个同轴输入腔和2个同轴调制腔的调制后,产生了幅度5 kA、脉宽110 ns的基波调制束流,采用该调制束流驱动同轴微波提取腔,辐射输出了峰值功率820 MW/110 ns的辐射微波,效率28％,增益36 dB。同时,开展了重复脉冲RKA和相位特性的实验研究,重复频率10 Hz运行时,辐射微波达到800 MW/100 ns,相位抖动小于 20°。     

X波段渡越辐射振荡器的理论和实验

研究了电子束在任意驻波场中的渡越辐射，并结合课题的需要探索了基于渡越辐射在X波段产生高功率微波的可行性。研究工作包括以下部分。     

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。     

三腔渡越管振荡器高频结构的解析研究

 从圆柱坐标系下Borgnis位函数的齐次标量Helmholtz方程出发,引入慢波驻波概念及其场表达式,利用Borgnis位函数的边界条件及相邻子区公共界面上的场匹配条件,导出了三腔渡越管振荡器内角向均匀TM模的色散关系及场分布的解析表达式。运用该解析法求得三腔渡越管振荡器的谐振频率与实验中测得的微波频率一致,求得的场分布与数值法得到的场分布十分吻合。     

S波段分离腔振荡器的数值模拟与设计

通过粒子模拟的方法设计了分离腔振荡器(SCO),并建立了基于爆炸发射的阴极模型,对带有真实二极管结构的SCO进行了整体的粒子模拟研究。典型的数值模拟结果为:在二极管电压为495 kV,电流为3.93 kA时,输出高功率微波的功率为640 MW,微波频率为2.85 GHz,功率效率为33.0%。同时,还研究了二极管输入电压幅度及波形、阴-阳极间距、阴极半径等参数对SCO输出高功率微波特性的影响,初步研究结果表明:除了栅网的通过率,SCO对二极管阻抗、阴极半径等参数也比较敏感,对应一定的二极管阻抗,需有一个最佳的电压值与之匹配;三角波电压波形会明显降低SCO的功率效率。     

L波段端面发射高效率磁绝缘线振荡器

 建立了磁绝缘线振荡器自磁绝缘的理论模型,给出了磁绝缘电流计算公式。然后给出了非线性稳态的最大轮辐电流计算公式,并据此分析了负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率。提出一种新型的端面发射型磁绝缘线振荡器,在二极管电压590 kV,二极管电流为55.47 kA情况下,粒子模拟得到周期平均功率6.1 GW左右,工作主频为1.24 GHz,束波转换效率18.64%左右。端面发射型磁绝缘线振荡器的效率比负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率提高6%左右。端面发射的电流不参与束波互作用,由于端面发射的电流比较小,在总电流不变的情况下参与束波互作用的电流增多,从而提高了效率。最后分析了角向磁场的分布以及自磁绝缘的情况。     

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。