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。     

140 GHz, TE22,6模式回旋振荡管高频谐振腔

通过数值计算方法,编程模拟了140 GHz, TE22,6模式回旋振荡管开放式缓变截面谐振腔的传播特性,计算出谐振腔的谐振频率和品质因数;利用CST软件对该高频谐振腔进行仿真计算,得到腔体内横截面的电场分布云图。通过实验和仿真软件得到的数据进行比较,两者有较好的一致性。测试结果表明,当磁场为5.48 T,电子注电流为28 A,电子注电压为68.6 kV时,TE22,6模式的平均输出功率为0.25 kW,峰值功率为0.56 MW。当磁场为5.68 T,电子注电流为27.6 A,电子注电压为69.12 kV时,回旋振荡管可同样工作于TE22,6,2模式,平均输出功率为0.21 kW,峰值功率为0.47 MW。     

带状电子注驱动的准光谐振腔回旋管

回旋管作为一种重要的真空电子源,能够在毫米波和太赫兹频段生成高峰值以及高平均功率的电磁辐射,在波谱学、雷达、通信、生物医学等领域具有广泛的应用前景。传统的回旋管将不可避免地面对激烈的模式竞争问题,引入准光谐振腔将有望大大减小模式竞争的激烈程度。本文基于电子回旋脉塞理论,将准光谐振腔及带状电子注进行结合,以期实现更高的输出功率及效率。仿真结果表明,在电子电压为40 kV,背景磁场为8.4 T时,设计的准光回旋管能在220 GHz频点处产生6.1 kW的输出,电子效率达到6.1%且在一段时间内能稳定运行。本文结构将可能为高频段乃至高次谐波工作的回旋管设计提供全新方案,从而进一步用于通信、雷达等领域。     

复合腔回旋管的分析与数值计算

本文对复合腔回旋管进行了分析与计算。在双模与多模近似情况下,对复合开放式谐振腔作为一个整体进行了分析,并数值计算了复合腔的谐振频率、Q值与场分布。在此基础上,对复合腔回旋管进行了大信号分析,计算了基波与二次电子回旋谐波情况下电子效率与一些参数的关系。结果表明,选用适当的复合腔结构,可使输出腔工作于高次模式,且可能获得较高的电子效率与很高的输出功率。     

34GHzTE01模基波回旋速调管高频系统设计与实验

利用场匹配理论,建立了具有突变结构谐振腔的级联散射矩阵。通过数值计算,研究了具有突变结构谐振腔中各模式的反射相移随漂移段半径变化、工作模式的反射相移随腔体半径的变化、腔体中各模式的传播常数随腔体半径的变化、谐振腔的腔体长度和半径的关系,并完成了Ka波段TE01模回旋速调管的输入腔、群聚腔、输出腔的设计。同时给出了一支Ka波段TE01模四腔基波回旋速调管高频系统和整管的优化设计方案。PIC模拟表明：在中心频率34GHz,注电压70kV,注电流11A的情况下,获得了输出功率390kW,饱和增益42.9dB,电子效率50.6%,3dB输出带宽360MHz的结果。 通过样管的热测实验显示在34GHz,注电压70kV,注电流11A,获得了301kW的稳定输出脉冲峰值功率,41.8dB的增益,39.1%的效率,285MHz的3dB输出带宽。     

140GHz回旋管谐振腔的冷腔计算

作为ITER计划的辅助加热系统的电子回旋共振加热系统(ECRH,Electron Cyclotron Resonance Heating)的核心是回旋管。本文基于回旋管线性理论,建立谐振腔物理模型,编写程序分析和计算了谐振频率和Q值,探讨了不同谐振腔长度和渐变角对谐振腔回旋频率和绕射Q值得影响,选择最优参数,得到140GHz谐振腔的设计。     

220GHz高功率同轴谐振腔回旋管

介绍了220 GHz同轴腔回旋管的设计,工作模式为TE04圆电模式.采用自洽非线性理论对谐振腔的工作参数进行了参数优化,选取工作电压50 k V,工作电流10 A,工作磁场8.4 Tesla.设计的同轴型双阳极磁控注入式电子枪,电子注速度横纵比1.5,速度零散5.2%.并采用粒子模拟方法进行了整管仿真.理论计算与粒子模拟结果表明,设计的220 GHz同轴腔回旋管有望获得200 k W以上的输出功率与40%以上的互作用效率.     

用于回旋速调管的新型开放式球形谐振腔

作为毫米波、亚毫米波源的回旋速调管工作于W波段及以上波段时,如何提高输出功率和工作效率是回旋管研究的重点.对开放式球形腔TE谐振模式的特点进行了理论分析,并与圆柱谐振腔TE模式进行了比较,通过计算模拟对比了二者谐振腔的电场能量分布特点.与圆柱谐振腔TE021模式相比,在电子通过区域,开放式球形腔内TE102谐振模的高频...     

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.     

140 GHz 回旋振荡管高频腔体的数值模拟*

根据热核聚变用回旋管整管技术要求,对140 GHz 回旋振荡管进行研究,设计了高频腔体结构的尺寸,并通过 非线性理论计算程序对高频腔体进行了分析。研究表明,在工作电压82 kV,注电流45 A,电子注横向与纵向速度比为1.5 时,所设计的回旋振荡管输出功率为1.5 MW,效率达到41.4%,符合140 GHz 整管参数设计要求,从而为热核聚变用回旋振荡 管的研究打下技术基础。     

厚电子注回旋脉泽的不稳定性理论

本文讨论厚电子注及其稳态分布函数的基本特征,提出用动量和位形变量或三动量变量来表示实际电子注的稳态分布函数。导出了▽_pf_0的完备关系和厚电子注脉泽中H模与E模的一级扰动分布函数,证明了厚电子注脉泽中各模式的去耦特性,求得了任意模式、任意次回旋谐波、任意厚度电子注及考虑(?)f_0/(?)r_0时H模和E模回旋脉泽的普遍色散方程,并对波导脉泽和腔体脉泽的特性进行了讨论。所得结果为厚电子注脉泽的计算提供了理论基础,亦为薄层注脉泽提供了更严格和准确的计算结果。     

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.     

开槽波导3次谐波回旋行波放大管非线性理论与数值模拟

本文讨论了开槽圆柱波导的高频场分布,给出了注波互作用自洽非线性理论,在电子作大回旋运动与考虑速度零散的情况下,采用四阶龙格库塔法,对均匀截面开槽波导３次谐波回旋行波放大管注波互作用进行了数值计算,得出一些重要的互作用规律,为回旋行波放大管的进一步研究打下了基础。     

Cusptron振荡器的分析与计算

本文对Cusptron进行了理论研究。首先分析了在cusp磁场中电子的运动。在此基础上研究了电子注与驻波场的互作用。在f_o=35GHz对16个翼片的磁控管型腔中H_(511)π摸与电子注互作用(8次回旋谐波)进行了数值计算。考虑了电子注中速度分布、注厚度以及B_k≠B_o等因素对电电效率的影响。     

频率可调太赫兹回旋振荡管互作用电路的设计与研究

根据动态核极化核磁共振成像技术对回旋振荡管的要求,设计了130 GHz 回旋振荡管的注波互作用电路,基于线性理论对互作用电路进行了研究并选择了合适的工作点,分析了电路的频率调节特性。利用相对论电子回旋脉塞非线性理论对互作用系统进行了模拟和计算,优化了工作参数,计算了磁场及电子注参数对输出功率及效率的影响。最后,用粒子模拟方法进行了模拟并与非线性理论结果进行了比较,两者符合得很好。模拟结果显示,当电压为10 kV、电流为0.3 A、磁场强度由2.34 T 增加到2.41 T 时,输出功率由1310 W 减小到230 W,对应的效率分别为43.6%和7.7%,振荡管的频率可调范围约为2.7 GHz。     

W波段三次谐波回旋振荡管的模拟与设计

研究了影响毫米波谐波回旋管互作用效率的多个因素,通过采用三次谐波工作,94 GHz回旋管的工作磁场降低到了1.185 T,使采用永磁体取代超导磁体成为可能.利用自洽非线性计算和粒子模拟研究了回旋振荡管的注-波互作用过程,发现了腔体品质因数与互作用效率的内在联系,研究了工作电压和电子注横纵速率比对耦合强度的影响,考虑了磁场渐变及电子注速度离散对互作用效率的影响,通过选择合理的工作模式和系统参数,当工作电压为40 kV、工作电流为12 A、电子注横向速度离散为3%时获得了95 kW的输出功率及19.7%的效率.当采用单级降压收集极后,效率可以进一步提高到39.2%.     

X波段同轴腔多注速调管的研究

开展了具有同轴谐振腔互作用电路和双模工作杆控电子枪的X波段同轴腔双模多注速调管的研究工作.结合数值计算和冷测实验,对工作于TM₃₁₀高次模的同轴谐振腔模式分布和特性参数进行研究,获得了可满足多注速调管要求的谐振腔特性阻抗和良好的模式稳定性.采用具有双控制极的新型杆控多注电子枪及电子光学系统,可使多注速调管具有双模的新工作特性,通过数值模拟获得了优化的几何参数和具有良好层流性和波动性的空心多电子注.对采用6个电子注和5个谐振腔的X波段多注速调管进行了注波互作用大信号计算,结果表明当电子注电压为21.5kV,脉冲电流为14.4A时,可在30MHz频带范围内获得的100kW左右的脉冲输出功率,互作用效率大于30%,增益大于36dB.     

3mm二次谐波回旋振荡管设计与数值模拟

二次谐波回旋振荡管的互作用磁场比基波回旋振荡管的磁场降低了一半,从而降低了设计难度,具有广阔的应用前景。通过对单腔结构的W波段二次谐波回旋振荡管高频结构、起振电流、模式竞争以及注波互作用研究,确定了W波段TE02模二次谐波回旋振荡管的基本工作参数,通过粒子模拟(PIC)软件进行计算,在电子注电压为60kV,注电流为6A及速度比为1.5时,获得了67.5kW的输出功率和超过18%的效率,且工作稳定。     

140 GHz共焦波导结构回旋行波管放大器

为减少太赫兹回旋器件模式密度和降低模式竞争问题,利用具有模式选择特点的共焦波导结构作为140 GHz回旋行波管(Gyro-TWT)的高频互作用系统。在理论分析基础上,建立注波互作用计算模型并对其进行数值计算;通过对共焦波导高频场分布、衍射损耗、耦合系数以及注波互作用效率等输出参量的分析,选择HE06作为工作模式,确定了140 GHz Gyro-TWT放大器的基本结构和工作参数,并利用注波互作用非线性理论进行分析。模拟结果表明：在注电压为35 kV,注电流2 A,速度比为0.75时,该高频结构在140 GHz频点获得12 kW峰值输出功率,17.1%电子效率和38 dB饱和增益,3 dB带宽达到6 GHz。     

X波段同轴腔多注速调管的研究

开展了具有同轴谐振腔互作用电路和双模工作杆控电子枪的X波段同轴腔双模多注速调管的研究工作．结合数值计算和冷测实验，对工作于TM310高次模的同轴谐振腔模式分布和特性参数进行研究，获得了可满足多注速调管要求的谐振腔特性阻抗和良好的模式稳定性．采用具有双控制极的新型杆控多注电子枪及电子光学系统，可使多注速调管具有双模的新工作特性，通过数值模拟获得了优化的几何参数和具有良好层流性和波动性的空心多电子注．对采用6个电子注和5个谐振腔的X波段多注速调管进行了注波互作用大信号计算，结果表明当电子注电压为21．5kV，脉冲电流为14．4A时，可在30MHz频带范围内获得的100kW左右的脉冲输出功率，互作用效率大于30％，增益大于36dB．