Numerical Simulation of Pulse Shortening in RBWOs

Pulse shortening hinders improvement of microwave output energy for high power microwave tubes. So far, it is also an unresolved problem in the field of high power microwave devices.In this paper, relativistic backward wave tube (RBWO) is treated as an example to study the pulse shortening phenomena. The influences of gas existing in the tube and explosive emission in inner surface of RBWO are all investigated by means of the particle-in-cell method. Through the simulation results, it can be predicted that the background gas in the tube is one but not the most important factor resulting in pulse shortening, in order to broaden the pulse width of gas-filled RBWO, the pressure of the filled gas must be controlled in a proper value. The explosive emission in the surface of slow wave structure due to intense electric field is one of the most important factors causing pulse shortening in high power microwave tube.Some methods to overcome this kind of explosive emission are also given.     

一种GW级3.2cm相对论返波管振荡器的数值模拟

提出了一种3.2cm的相对论返波管振荡器,并利用2.5维粒子模拟软件KARAT研究了引导磁场强度、电子能量、电子束环平均半径、电子束环厚度对输出微波的影响。最后,在电子束为环形电子束(电子束束环平均半径为0.95cm,束环厚度为1mm)、电子束束压为900kV、电子束束流为6.7kA、引导磁场为3.2T时,得到了1.2GW的微波输出。     

充中性气体RBWO中等离子体引起的脉冲缩短现象研究

针对严重制约强流加速器能量向高功率微波高效转化的脉冲缩短现象,设计了一种吉瓦级、紧凑型、同轴引出电子束相对论返波振荡器(RBWO),利用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部充中性气体时,碰撞电离所产生的等离子体对输出微波性能的影响,探讨了导致脉冲缩短的机制.模拟结果表明:充入一定浓度中性气体时,碰撞电离产生的等离子体在电子束传输的路径上形成离子通道,有效中和电子束径向空间电荷力,有利于电子束的传输及束-波作用,但必须控制在一定密度范围内,否则会引起输出微波脉冲缩短;等离子体密度随着充填中性气体密度的增加而增加,且与中性气体的核电荷数相关,等浓度时核电荷数大的气体更易导致输出微波脉冲缩短.     

X波段双频高功率返波振荡器的数值研究

提出了采用两段式同轴波纹慢波结构实现双频高功率微波输出的相对论返波振荡器,推导了该结构的TMOn模式色散方程,数值求解了两段式同轴波纹慢波结构TMOn模色散曲线,分析了该器件X波段双频高功率微波输出的产生机理,分析中考虑了电子注在慢波结构第二段工作效率不变和下降时的双频工作点情况,并运用2.5维全电磁粒子模拟程序验证了双频微波信号的可靠性.     

双谐振腔长脉冲相对论返波振荡器研究

延长输出微波脉宽是提高输出平均功率水平的一种重要技术途径.受限于“脉冲缩短”这一国际难题,通常高功率微波源输出微波脉宽较窄.相对论返波振荡器是一种高功率、高效率、可重频运行的高功率微波源,获得了广泛研究和应用.在长脉冲相对论返波振荡器研究方面,现有研究方法很难兼顾长脉冲与高效率.针对上述问题,提出了一种双谐振腔长脉冲相对论返波振荡器的设计方法:采用双谐振腔降低射频场;利用非均匀慢波结构增强束波作用;引入大半径收集极减少电子轰击产生的二次电子的数量.实验结果表明,该器件与现有的长脉冲相对论返波振荡器相比,可以在延长输出微波脉宽的同时提高器件束波作用效率.     

X波段低磁场相对论返波管振荡器实验研究

基于现有永磁磁体的参数,并结合高功率微波器件的优点,设计了一个X 波段低磁场相对论返波管振荡器,当引导磁场强度为0. 48T、二极管束压和束流分别为530 kV 和7. 0 kA 时,通过粒子模拟软件得到频率9. 42 GHz、功率1. 11GW 的模拟微波输出,器件束波转换效率30%。在强流电子束加速器平台上进行实验研究,当二极管电压500kV、电流6. 2kA、引导磁场强度0. 46T 时,得到频率为9. 40GHz、功率为900MW、脉宽为32ns 的微波输出。该实验结果为低磁场器件实现高功率、高效率微波输出及永磁包装打下了良好的基础。     

低引导磁场相对论返波管振荡器设计

从线性化的Vlasov方程出发,研究了相对论返波管中产生的微波功率与磁场的关系,给出了低引导磁场相对论返波管振荡器的设计准则;设计了一个高效率的高功率返波管振荡器,通过采用过模的分段、非均匀慢波结构,实现器件的高效率、高功率运行,同时通过在慢波结构末端添加部分反射腔来降低引导磁场强度.当引导磁场强度为0.6T、电子能量和束流分别为800 keV和7.6kA时,采用2.5维Particle in Cell(PIC)程序模拟得到频率为9.6 GHz、功率为1.85 GW的微波输出.     

X 波段过模RBWO 的热腔模式成分研究

过模RBWO 由于其高功率容量的优点而得到越来越多的应用。但是,过模RBWO 的SWS 两端同时包含有多个 TM0n 模式，为实现对过模SWS 两端的反射器的设计，需明确TM0n 的模式成分。国防科大已就O 型Cerenkov 高功率微 波振荡器的输出模式成分分析进行了详细的研究，但是对于有电子束存在的区域，必须考虑电子束对模式成分的影响。 本文在前人工作的基础上推导了含电子束的色散方程，并借此对一个X波段过模RBWO的热腔模式成分进行了初步研究。     

0.3T Ku波段返波管的低磁场特性研究

为了实现相对论返波管振荡器（RBWO）永磁包装,本文采用Magic模拟软件在0.5T低磁场相对论返波管（RBWO）器件结构基础上,通过在器件慢波结构末端添加一个部分反射腔,减小电子束质量对束波转换影响,即减小引导磁场的影响,实现了Ku波段相对论返波管振荡器0.3T磁场下运行.当电子束束压600kV、电子束束流7kA时,模拟得到器件输出微波功率740MW,效率18%.尽管该器件的效率低于0.5T磁场下的效率（25%）,然而0.3T引导磁场在工程上更容易实现.结合小型化的脉冲功率源进行实验研究,当二极管束压580kV、束流6.5kA,实验获得功率600MW,频率13.10GHz,脉宽25ns的微波输出,该器件的研制可以促进高功率微波（HPM）系统小型化的发展.