太赫兹回旋管研究进展

回旋管是一种基于电子回旋谐振受激辐射的快波器件,是目前太赫兹波段输出功率和效率最高的重要器件,本文给出了目前国内外太赫兹回旋管技术的发展状况,分析了太赫兹回旋管的特点和应用前景.     

应用于动态核极化核磁共振的太赫兹回旋管

太赫兹波驱动的动态核极化核磁共振波谱技术能将信号灵敏度提高几个数量级,太赫兹回旋管可实现高功率输出,并有一定的频率调谐范围,符合核磁共振波谱系统对太赫兹辐射源的需求。介绍了应用于核磁共振波谱系统的频率可调太赫兹回旋管的发展,研究了多段式腔体结构以及频率可调太赫兹回旋管中工作电压和磁场与电子注质量的关系。在应用于动态核极化核磁共振的太赫兹频率可调回旋管工作时,多段式腔体结构明显优于传统三段式谐振腔。在设计太赫兹频率可调回旋管时,不仅要考虑改变工作电压或磁场导致的电子横纵速度比的变化,而且还要考虑改变工作电压或磁场导致的电子速度离散和引导中心半径离散的变化。     

国际热核聚变装置用回旋管的现状及技术分析

回旋管是一种具有重要发展前景的高功率毫米波和太赫兹源.本文简要介绍了回旋振荡管的结构和基本原理,并且评述了国际热核聚变装置中所用110,140和170 GHz回旋振荡管的发展现况和趋势.同时指出了回旋振荡管发展中存在的关键问题并给出了可能解决的技术途径.     

近太赫兹频段功率源技术发展与应用

太赫兹辐射源是太赫兹技术应用的基础。简要介绍了太赫兹辐射源的类型和发展现状,重点论述了近太赫兹频 段功率器件,主要包括折叠波导行波管、扩展互作用速调管、回旋管、返波器件等。分析了不同应用场景对太赫兹功率 器件的需求,论证相关器件在雷达、预警探测、航天测控等国防装备领域系统的应用。     

近太赫兹频段功率源技术发展与应用

太赫兹辐射源是太赫兹技术应用的基础。简要介绍了太赫兹辐射源的类型和发展现状,重点论述了近太赫兹频段功率器件,主要包括折叠波导行波管、扩展互作用速调管、回旋管、返波器件等。分析了不同应用场景对太赫兹功率器件的需求,论证相关器件在雷达、预警探测、航天测控等国防装备领域系统的应用。     

大功率太赫兹电真空器件的研究现状与应用

太赫兹科学技术是当前迅速发展的新兴领域,由于其具有许多独特的特性,在军事上具有重要应用前景.但目前仅有真空电子学的方法可以产生满足军事应用需求的高功率太赫兹辐射,因此大功率太赫兹电真空器件是研究热点之一.综述了大功率太赫兹电真空器件的研究现状,涉及太赫兹行波管、返波管、绕射辐射器件、扩展互作用器件、回旋管等,并分析了其应用情况及前景.     

0.42THz频率连续可调同轴回旋管

作为目前工作在太赫兹频段输出功率最大的辐射源之一回旋管的功率可达到数十千瓦. 传统太赫兹回旋管一般为点频工作,难以满足动态核极化核磁共振等多方面技术需要。采用机械调节的方式,实现了带宽为2GHz中心频率为0.42THz二次谐波频率连续可调同轴回旋管,通过非线性理论分析发现,在不改变工作磁场条件下,在调节带宽范围内,可实现大于8kW的功率输出.     

大半径同轴谐振腔太赫兹回旋管研究

 为了发展大功率太赫兹辐射源,本文对大半径同轴谐振腔回旋管进行了理论和数值模拟研究,理论计算结果表明在同轴谐振腔中其角向对称的TE_0n模式的截止频率与n近似成正比关系,与内外导体之间的距离近似成反比关系.根据上述特点作者设计了一只大半径同轴腔0.3THz、TE₀₄模回旋管,数值计算和粒子模拟结果表明:大半径同轴谐振腔太赫兹回旋管与空心波导谐振腔回旋管相比具有很多优点:腔体尺寸相对较大,工作电流可以大幅度提高;其对称的TE_0n模式与非对称的TE_mn模式的间隔较大,有利于克服模式竞争.     

小回旋三次谐波0.52 THz回旋管

为了发展大功率高效率太赫兹辐射源,对小回旋电子注激励三次谐波太赫兹电子回旋脉塞进行了研究,分析了不同参数情况下的模式竞争.研究结果表明,采用近轴小回旋电子注能够实现三次谐波单模振荡.在此基础上设计了一只0.52 THz、TE37模三次谐波回旋管,数值计算表明,该回旋管在工作磁场为6.98 T下输出功率可以达到3.7 kW.对产生近轴小回旋电子注的高磁压缩比磁控注入式电子光学系统进行的粒子模拟研究结果表明,该电子枪能够产生满足实验要求的65 kV/2.5 A,横纵速度比为1.24,引导中心半径0.35 mm的小回旋电子注,其纵向速度离散6.6%,横向速度离散6.1%.     

0.6 THz三次谐波回旋管的研究

 太赫兹回旋管是一类基于电子回旋受激辐射机理的快波器件,同时也是目前最具发展前景的高功率太赫兹辐射源.本文根据回旋管的线性理论和自洽非线性理论对三次谐波、工作频率0.6 THz的回旋管进行了研究,重点讨论了引导中心分别为0mm的实心回旋电子注和0.315mm的空心回旋电子注的模式竞争.通过分析比较,发现工作在0.6THz 、三次谐波的众多模式中TE37模是一比较理想的工作模式,它不仅有相对较高的功率输出,而且还有相对较少的模式竞争.本文中的设计采用55kV/1.0A,电子注的速度横纵比为1.5,在工作磁场7.86T下,数值计算结果表明输出功率达4.73kW.     

System Development and Performance Testing of a W-Band Gyrotron

A high-power W-band gyrotron has been designed and performance tested in Korea, with an output power in the range of tens of kilowatts. The gyrotron consists of a diode-type electron gun operating at 40 kV, a TE6,2 mode interaction cavity, and a mode converter for producing a highly Gaussian output mode beam. Presented here are the detailed component design procedure and the experimental results of the gyrotron’s performance evaluation. A maximum power of 62 kW was achieved with an efficiency of 22 %, and a highly Gaussian output beam was observed. The gyrotron’s output beam is analyzed, and its transmission through an oversized waveguide is discussed. This gyrotron is the first gyrotron developed in Korea with high power greater than 10 kW and high frequency greater than 90 GHz.     

回旋管高频腔中金属膜片对谐振频率的影响

本文从多点反射的角度给出了高频腔中存在对称金属膜片时谐振频率的计算公式和特性曲线。并从实验上证实了金属膜片对机械加工误差的补偿作用。     

大功率毫米波回旋管发射机的设计

阐述了利用新型大功率毫米波器件回旋管研制大功率毫米波雷达发射机的系统方案及设计难点。根据回旋管放大器的组成和特点，讨论了发射机中应用的全固态调制器等关键技术及其设计方法。指出了目前回旋管发射机存在的问题。     

一种超低电压宽带调谐太赫兹回旋管互作用结构

低电压频率可调太赫兹回旋管在生物医学和波谱学等领域具有重要应用。文章分析了超低电压(<1 kV)下采用传统开放腔互作用电路的330 GHz 回旋管输出功率和频率调谐特性,探讨了超低电压下由于电子相对论效应减弱而导致的回旋管中电子注-波互作用耦合强度降低的问题。在此基础上,针对330 GHz 超低电压回旋管提出了一种改进的互作用电路结构,其下倾式尾端结构有助于增大反向波幅度,提高弱相对论电子注与电磁波之间的耦合强度,从而提高回旋管的输出效率及频率调谐带宽。非线性模拟结果表明,在低至0.3 kV 的超低电压下,采用此种互作用电路结构仍可获得大于1 W 的连续波输出功率及22 GHz 的连续调谐带宽,峰值输出效率大于7%。     

A High-Efficiency Second-Harmonic Gyrotron with a Depressed Collector

The gyrotron with an electrically insulated collector has been manufactured and tested. The 60% output efficiency is obtained for the Collector Potential Depression (CPD) operation regime. The results of the numerical simulation of the electron energy spectrum in the collector region of the second-harmonic technological 24 GHz gyrotron are presented. It is shown, that the minimal electron beam energy is about 20% of the initial value and that the gyrotron cavity should be expanded to achieve the highest output efficiency of the gyrotron with energy recovery. The highest experimental decelerating voltage is in good agreement with the calculation of the electron energy spectrum.     

140 GHz回旋振荡管Denisov辐射器设计

根据几何光学和耦合波理论研究高功率回旋振荡管高阶模式在微扰圆波导中的准光传输特性,并编制出带有微扰结构辐射器准光模式变换系统的仿真程序,给出140 GHz回旋振荡管Denisov辐射器的设计方法及结果,分析其内部激励起的各模式的功率分布曲线和波导壁上的电流密度分布,得到扰动长度为60 mm,总长度为136.5 mm的Denisov辐射器结构,输出功率转换效率为99.1%,可满足140 GHz整管参数设计要求。并利用Feko软件对数值计算结果的可行性进行了有效验证,从而为热核聚变用回旋振荡管的研制打下技术基础。     

PHASE-LOCKING OF HIGH POWER GYROTRON OSCILLATOR

The phase-locking process is studied for high-power gyrotron oscillator driven by an external signal. The phase-locking nonlinear differential equations are derived, and the condition of phase-locking is shown and analyzed. The phase-locking signal can be introduced after gyrotron oscillates into saturation or before it. Two different ways of inputting signal make markable influence on the phase-locking process, this phenomenon is discussed. In this paper, the numerical calculations and analysis are given for gyrotron TE13 mode.     

Analysis of Aftercavity Interaction in European ITER Gyrotrons and in the Compact Sub-THz Gyrotron FU CW-CI

Possibilities of arising of aftercavity interaction are analyzed in the ITER 170?GHz 2?MW coaxial cavity gyrotron and the 170?GHz 1?MW cylindrical cavity gyrotron, as well as in the compact 394.5?GHz low power gyrotron FU CW-CI. Also, the simulations for the gyrotron efficiency in the presence of aftercavity interaction are performed in the cold cavity approximation. Results of the analysis illustrate the subtle interplay between the geometry of the output taper and the profile of the magnetic field.     

The Gyrotron

This paper describes the genealogical tree of the gyrotron, stimulated emission of cyclotron radiation in microwave electronics from magnetron to gyrotron, and arrangement of the gyrotron. The structure of the alternating field in the gyrotron is also given, along with motion and bunching of electrons near cyclotron resonance, equations of the gyrotron, and varieties of the gyrotron. A review of experimental studies is discussed, with problems of utilization of stimulated emission cyclotron radiation.     

电子迴旋脉塞研究的现状和展望

电子迴旋脉塞作为开拓毫米波、亚毫米波波谱的高功率相干辐射源,近年来研究工作十分活跃,取得了不少鼓舞人心的新进展。本文综述了迴旋单腔振荡器、迴旋管放大器、高次谐波迴旋管和强流相对论迴旋管等电子迴旋脉塞各类器件的研究现状,指出了一些技术关键问题及其解决措施,并展望了它的发展前景。