高效率双波段同轴相对论返波管粒子模拟研究

提出了一种能在C 波段和X 波段实现稳定双频输出的带有谐振反射腔的单电子束同轴相对论返波振荡器,并使 用2.5 维全电磁粒子PIC 模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示：在电子束电压510kV,电流9.03kA,引导磁场 0.73 T 的条件下,双频器件实现了8.1GHz 和9.9GHz 的双波段频率稳定输出,平均功率为0.95GW,波束互作用效率为 20.6%, 效率高于空心双波段返波管以及瓷绝缘线双频振荡器。     

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.     

Particle-In-Cell Simulations from a X Band Coaxial Relativistic Backward Wave Oscillator

A high-power x-band coaxial relativistic backward wave oscillator has been conceptually designed and analyzed. The TM_on dispersion relations in the coaxial corrugated cylindrical waveguide used in the device was calculated. MAGIC,an electronmagnetic particle-in-cell code, is being used to investigated the nonlinear beam-wave interaction and other design optimization issues. Preliminary simulation results shows that the coaxial BWO can generate 2. 2 GW peak power microwave at 10. 15GHz in the TM₀₂ mode driven by a 600-KV 20-KA electron beam, the peak power efficiency is about 18%.     

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.     

An Ultrahigh-order-mode, Higher-harmonic Coaxial Gyrotron Oscillator in Sub-terahertz Wave Range

A coaxial cavity gyrotron oscillator at a frequency of 0.34 THz is studied, which operates with a quite low magnetic field of 4.55 Tesla at the third cyclotron harmonic of the ultrahigh-order mode TE_43,4. Properly choosing the depth of the longitudinal corrugations on the inner rod and optimizing the electron-beam position significantly suppress the mode competition. Nonlinear multimode simulations show the feasibility of the single-mode operation with an output power of 163 kW by using an electron beam with a voltage of 70kV and a current of 30A, which corresponds to an interaction efficiency of 9.2 % with maxim density of ohmic losses 2.9 kW/cm².     

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。     

Ku波段低磁场返波管振荡器的模拟与实验

为了实现高功率微波(HPM)系统小型化,结合传统低磁场相对论返波管振荡器(RBWO)的设计理论,设计一个Ku波段较低磁场的相对论返波振荡器。分析束压、束流、引导磁场等对输出微波的影响,并采用粒子模拟软件(PIC)优化结构。当轴向引导磁场为0.4 T,电子束束压和束流分别为600 k V和7 k A时,得到频率为13.08 GHz,功率为1.0 GW的微波输出。在强流电子束加速器平台上开展实验验证模拟结果:外加磁场0.4 T时,得到平均功率为850 MW、频率13.05 GHz、脉宽24 ns的微波输出。该实验结果为实现较低磁场GW级微波输出打下了良好的基础。     

变阻抗相对论返波管的研究

根据相对论返波管(RBWO)的非线性理论,数值模拟了耦合阻抗单步跃变型RBWO效率与束流参量、耦合阻抗跃变位置、高低耦合阻抗比值的依赖关系,结果表明器件最优化效率可达到50%.设计制造了一个X波段高功率耦合阻抗单步跃变型RBWO,运用全电磁粒子模拟程序仿真了器件中注波互作用过程,预见出器件功率、效率、频率等性能参量.在电子注电流、注加速电压、互作用区长度相同的实验条件下,测得变阻抗器件实验效率约为均匀阻抗型器件效率的2倍.     

低磁场S波段相对论返波振荡器模拟与实验

为实现高功率微波(HPM)系统的小型化,设计一个S波段较低磁场相对论返波管(RBWO)振荡器.针对低磁场特点,分析慢波结构、引导磁场、束压、束流等对输出微波的影响,通过模拟软件(PIC)优化结构.以此设计引导磁场为0.24 T,电子束束压为725 kV,束流为6 kA,频率为3.53 GHz,输出微波功率为1.22 G...     

3cm双频高功率返波振荡器的粒子模拟研究

提出3cm双频两段式同轴相对论返波振荡器,用粒子模拟软件对其结构和电磁参数进行分析研究,优化得到的结构参数为第一、二段分别为10和4个周期数,周期长度分别为0.5cm、0.73cm,波纹幅值分别为0.13cm、0.21cm,平均半径2.9cm,同轴间隙为2.1cm。实验结果表明在环形相对论电子注电压为510kV,电流为9.4kA,引导磁场为0.7T的条件下,器件得到了3cm波段稳定的高功率双频微波输出,其平均功率约为0.75GW,平均功率效率为15.6%。     

变阻抗相对论返波管的研究

根据相对论返波管（RBWO）的非线性理论，数值模拟了耦合阻抗单步跃变型RBWO效率与束流参量、耦合阻抗跃变位置、高低耦合阻抗比值的依赖关系，结果表明器件最优化效率可达到50%，设计制造了一个X波段高功率耦合阻抗单步跃变型RBWO，运用全电磁粒子模拟程序仿真了器件中注波互作用过程，预见出器件功率、效率、频率等性能参量，在电子注电流、注加速电压、互作用区长度相同的实验条件下，测得变阻抗器件实验效率约为均匀阻抗型器件效率的2倍。     

一种非均匀周期慢波结构返波管的模拟研究

为了提高返波管的工作效率,本文模拟设计了一个X 波段非均匀周期慢波结构的相对论返波管。模拟结果表 明：在电压为719kV,电流为10.2kA,磁场为3.0T 条件下,微波输出功率为2.81GW,工作频率为9.04GHz,效率为 38.3%,输出模式为TM01 模。模拟结果表明,采用非均匀周期慢波结构有效地提高了器件的工作效率。论文同时模拟 研究了电子束电压对器件输出功率、效率、工作频率的影响。     

永磁包装相对论返波管振荡器实验研究

首先通过粒子模拟设计了一个X波段的低磁场返波管振荡器,得到功率为520MW、频率为7.9GHz的微波输出;然后根据模拟结果设计加工了一个磁场强度为0.46T的小型化永磁磁体;最后在加速器上对永磁包装返波管振荡器进行了实验研究。当电子能量为630keV、束流约为6.7kA时,返波管振荡器得到频率为8.0GHz、功率为510MW、脉冲半高宽约15ns的微波输出。     

X 波段注入锁定相对论返波管设计

为实现X 波段的相干功率合成,提出了一种高功率的注入锁定相对论返波管模型。器件在结构上分为输入腔和 输出慢波结构：输入腔用于减少注入微波的泄漏,同时腔内的驻波电场可以有效调制电子束;输出慢波段实现调制电子 束的换能输出。模拟表明该结构在注入功率6 kW 的条件下,可以实现2.5 GW输出微波的相位控制。     

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.     

用于受控热核聚变的兆瓦级同轴腔回旋振荡器的注-波互作用分析

相对于高阶工作模式的单腔回旋管,同轴腔回旋管具有缓解模式竞争,提高单模工作的稳定性,以及增大功率容量的优点,宜用于受控热核聚变中的电子回旋共振加热和电子回旋电流驱动而受关注.详细地研究了工作频率为170 GHz,TE_(34,11),模同轴腔回旋管的结构参数、电子束参数及腔壁损耗对注-波互作用的影响.首先对170 GHz兆瓦级功率模式选择进行分析,给出了工作模式.再次,基于时域自洽非线性理论,编写了时域单模稳态注-波互作用程序,分析了电流、磁场强度和腔壁欧姆损耗对互作用的影响,并对工作参数进行了优化.模拟结果表明:当电子束电流为68 A,工作电压为65 kV,引导磁场强度为6.58 T时,可获得2.18 MW的输出功率,49.23%的效率,外腔壁上的欧姆损耗密度峰值为1.94 kW/cm~2,内导体表面的小于0.15 W/cm~2;互作用效率随速度零散增大而降低,输出频率向下偏移;电子注厚度对互作用也有相似的影响.     

π-TM_(610)模同轴双间隙腔耦合同轴线输出电路

该文提出一种适合于X波段多注速调管的π-TM₆₁₀模双间隙同轴腔的同轴线输出电路,并详细分析了其带宽和输出功率容限等重要性能,结果表明：π-TM₆₁₀模双间隙同轴腔耦合同轴线之后,输出腔中各个电子注孔的特性阻抗仍然很均匀;但由于输出腔外观品质因数太大而且无法使其降低,导致输出频带较窄;输出功率容限则为1MW左右。因此它比较适合作为高射频段的高功率窄带多注速调管的输出电路。     

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.     

Gyrokinetic Analysis of Influence of Electron Beam Eccentricity on Operation of Higher-Order Mode in a Coaxial Cavity Gyrotron

A gyrokinetic analysis is presented to the influence of the electron beam eccentricity on the power and starting current of a coaxial cavity gyrotron, which operates in a higher-order mode TE_31, 17, 1 with a frequency of 165 GHz. It is found that the starting current becomes larger because of the existence of the electron-beam eccentricity. Especially, the power will be decreased substantially by the electron beam eccentricity, for example, down to 93% of the power without any eccentricity even if the eccentricity is 1% of the outer conductor radius. The acceptable range of the electron beam voltage and operating magnetic field for the establishment of the electromagnetic oscillation is narrowed by the electron-beam eccentricity.     

Gyrotron Backward Wave Oscillator Experiments with a Relativistic Electron Beam Using an X-Band Rectangular Waveguide

A mildly relativistic electron beam (500keV, 200A, 10ns) injected into an X-band rectangular waveguide immersed in a uniform axial magnetic field (4-10kG) produced magnetically tunable microwave radiation in the 9-13 GHz frequency range with an estimated output power of 1MW. The frequency range and tunability of the radiated microwave agreed with a theoretical model for a gyrotron backward wave oscillator taking into account the low energy component of the beam electron.