TE22,6模式—高斯波的准光模式转换器设计

准光模式转换器是高功率毫米波回旋管的重要组成部份,能够实现电磁波与电子注的分离、隔离波的反射,并实现回旋管的高斯波束输出。基于耦合波理论,分析设计出用于频率140 GHz、TE22.6模式回旋管的Denisov辐射器;基于几何光学理论,设计出准光反射镜面系统,并采用Feko软件进行优化。计算结果表明,所设计的准光模式转换器系统的转换效率约为97.3%,波束的高斯含量约为93.3%,达到了回旋管的应用需求。     

220 GHz共焦波导回旋振荡管的理论研究与模拟仿真

随着毫米波波段回旋管的研究深入,传统的封闭式圆波导谐振腔的弊端越发明显。根据回旋管非线性理论,设计了一只采用开放式准光谐振腔作为高频结构的回旋振荡管,其工作频率为220 GHz、工作电压为60 k V、电流为3 A、横纵速度比α为1.5、工作模式为HE06模。通过采用自主研发的三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟研究,分析其工作特性,并进一步优化参数。仿真结果表明:所设计的回旋管在磁场为8.57 T的条件下工作,可获得36 k W的峰值功率输出,输出功率效率可达20%。     

用于毫米波辐射非致命生物效应的94 GHz回旋管设计与实验

设计和测试了内嵌准光系统的94 GH z回旋管,该系统主要用于研究毫米波辐射的非致命生物效应。为了减少大功率高频下的回旋管壁面加热问题,选择TE+6,2模式作为工作模式。对于高阶模式,存在更多相邻模式,因此模式竞争会影响实验的稳定性和有效的可操作性。渐变腔已被设计为抑制单个腔中的模式竞争。另外,具有低衍射准光模式变换器的功率转换效率为98.54%。实验结果表明,回旋管输出功率为50.9 kW,效率为34.3%。对于非致死的生物效应研究,整体设计方案达到了预期的效果。     

用于毫米波辐射非致命生物效应的94GHz回旋管设计与实验（英文）

设计和测试了内嵌准光系统的94 GH z回旋管,该系统主要用于研究毫米波辐射的非致命生物效应。为了减少大功率高频下的回旋管壁面加热问题,选择TE_(+6,2)模式作为工作模式。对于高阶模式,存在更多相邻模式,因此模式竞争会影响实验的稳定性和有效的可操作性。渐变腔已被设计为抑制单个腔中的模式竞争。另外,具有低衍射准光模式变换器的功率转换效率为98.54%。实验结果表明,回旋管输出功率为50.9 kW,效率为34.3%。对于非致死的生物效应研究,整体设计方案达到了预期的效果。     

W波段准光模式变换器的设计

准光模式变换器是大功率输出回旋管的关键部件.采用高转换效率的准光模式变换器可以横向输出电磁波,增大收集极的尺寸,提高回旋管的输出功率,提高整管效率.该文设计的回旋管内置准光模式变换器由Denisov辐射器天线和四个反射镜组成,输入频率为94GHz,模式为TE_6,2模.采用耦合波理论分析和优化了Denisov辐射器内的场分布,并根据矢量绕射理论编制数值模拟程序计算了各个反射镜上的场分布,其输出功率转换效率达97.2%.利用三维全波仿真软件feko6.0进行对比分析,最后加工所设计的结构并内置于回旋振荡管进行热测实验,结果表明其输出场分布与理论计算结果基本一致.     

三角晶格金属柱PBG谐振腔的设计

随着回旋管向高频发展,高次谐波互作用研究成为重要方向。当普通回旋管工作在高次谐波时,效率很低,尤其是模式竞争问题很难解决。因此,必须改进结构,才能有效地实现高次谐波互作用。而光子晶体结构恰恰能对非工作模式实现有效的抑制。介绍了一种新的光子晶体谐振腔设计方法并成功设计出一个工作于高次模式下单模传输（TM01）的三角晶格金属柱PBG谐振腔。进一步改进后得到了一个工作在Ka波段的光子晶体谐振腔。该结构能应用于目前项目研究,具有工程价值。     

220GHz同轴谐振腔回旋管研究

同轴谐振腔相比波导谐振腔具有更大的功率容积,通过调整内外径的尺寸还可降低模式竞争。本文介绍了电子科技大学目前220 GHz同轴谐振腔回旋管的设计与研制工作,给出了谐振腔、电子光学系统与输出结构的设计参数与仿真结果,仿真结果表明该设计可获得100 kW以上的输出功率与20%以上的互作用效率。     

三次谐波光子带隙谐振腔回旋管

分析了光子晶体谐振腔（PBGC）的模式选择功能,实现PBGC回旋管振荡器高阶电磁模与高次电子回旋模的有效耦合。通过对PBGC禁带特性的分析,定出了工作模式TE34模,并成功抑制了模式竞争。文中建立了PBGC回旋管的等效半径的概念,完成了自洽非线性理论和相关的计算机数值模拟程序。研究发现TE34模能有效地与电子的3次回旋谐波相互作用,其耦合频率为130.5GHz,并极大地降低了对工作磁场的要求。在考虑诸多物理因素影响的情况下,对该3次谐波PBGC回旋管振荡器进行了参数优化研究,得到了参数为：电压430kV、电流35A、磁场1.84T、输出功率1.75MW、互作用效率11.5%的3次谐波TE34模PBGC回旋管振荡器。     

相对论回旋电子注与驻波场互作用的数值计算

本文从相对论电子运动的基本方程推导出横电(TE)模式下回旋电子注速度相位空间的运动方程。它们适合于回旋振荡管互作用空间的数值计算。对于频率为10GHz的变截面腔TE_(011)场型,工作在回旋基波的回旋振荡管的计算,获得了电子效率为57％和轨道效率为72％的结果。对于频率为35GHz均匀截面腔TE_(021)场型,二次回旋波的回旋振荡管得到了电子效率为26％和轨道效率为40％的结果。文中还讨论了开放式谐振腔纵向场分布函数G(T)、腔体内场幅E_0、电子注半径R_b和轴向磁场B_0等因素对回旋管参量的影响,并给出了相应的结果。     

回旋管准光辐射器研究与设计

准光辐射器是高功率回旋管准光模式变换器的重要组成部分.采用几何光学理论分析圆波导准光辐射器,根据高斯波束(TEM00模)在辐射器切口处形成的原因,利用耦合波理论设计波纹波导准光辐射器.通过编写程序并进行数值优化完成140 GHz、TE28,8模式回旋管波纹波导准光辐射器的设计,结果表明波纹波导辐射器的总长度仅为205.2 mm,切口长度为47.2 mm,在辐射器螺旋切口Brillouin区内高斯模式标量相关系数大于98%.本文所用的方法也可用于其它频率和模式的回旋管准光辐射器设计.     

A 0.4-THz Second Harmonic Gyrotron with Quasi-Optical Confocal Cavity

Mode density is very relevant for harmonic gyrotron cavity. Theoretical investigations suggest that quasi-optical confocal waveguide performs low mode density and good mode-selective character. By selecting the appropriate mode and optimizing the cavity parameters, the quasi-optical confocal cavity is suitable for high-harmonic terahertz gyrotron without mode competition. In order to verify the theoretical analysis, a 0.4-THz second harmonic gyrotron has been designed and experimented. Driven by a 40-kV, 4.75-A electron beam and 7.51-T magnetic field, the gyrotron prototype could generate 6.44 kW of output power at 395.35 GHz, which corresponds to an electron efficiency of 3.4%. There is no mode competition between the second harmonic and fundamental observed in the experiments.     

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%。     

110 GHz gyrotron with a built-in high-efficiency converter

A 110 GHz 1 MW pulse gyrotron has been elaborated. A built-in electrodynamic duct consisting of a new type quasi-optical converter and three matching mirrors transforms operating mode TE_15,4 into a gaussian beam going through the output window. The efficiency of the duct (ratio of the gaussian beam power outside the gyrotron to the total microwave power at the output of the cavity) is about 95%. A system consisting of the gyrotron and an outer mirror transmission line is proved to have efficiency (ratio of the microwave power measured by calorimeter at the end of line to the power of the electron beam) more than 40%.     

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%.     

Feasibility study of the eu home team on a 170GHz 1MW CW gyrotron for ECH on ITER

The gyrotron system forECH and burn control onITER requires at least50MW ofRF power at frequencies near170GHz operating inCW. To meet these requirements, high efficiency gyrotron tubes with ≥1MW power output capability are necessary, as well as simple coupling to either a quasi-optical or waveguide transmission line. The paper reports the feasibility study on the design of anITER-relevant gyrotron oscillator at170GHz,1MW CW employing a diode electron gun, an advanced internal quasi-optical converter, a cryogenically cooled single disk sapphire window, and a depressed potential collector. The operating mode selection and the cavity design is a compromise between many design constraints.     

大功率太赫兹回旋管的腔体分析与模拟

以0.3 THz回旋管为研究对象,对 TE06模回旋管腔体进行理论分析和起振电流的计算,以避免模式竞争的出现。对选取的电参数进行粒子模拟仿真,在10 kV和300 mA条件下得到 TE06模输出、平均输出功率为152 W及输出频率为299.5 GHz的模拟结果,并对不同磁场和不同电流情况下输出功率进行了分析,为太赫兹回旋管的研制提供参考。     

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.     

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.