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%。     

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。     

紧凑型高阶回旋管模式激励器初步研究

为了模拟回旋管输出的TE62模,需要设计一个模式激励器。文中采用同轴波导谐振腔结构,通过选择合适的内外导体半径比及腔体尺寸,来获得纯度较高的TE62模。并使用HFSS 软件对腔体进行了仿真,仿真计算结果与理论值相吻合,表明这种结构是可行的。     

0.5THz二次谐波同轴回旋管的设计

二次谐波回旋管所需磁场仅为基模的一半,极大地降低了对工作磁场的要求.基于回旋管线性和自洽非线性理论设计了一只0.5 THz回旋管,采用TE56模为工作模式,分析了多项关键参数对注波互作用效率的影响,当其工作电压为49 kV,工作电流为5A,工作磁场为时9.94 T,效率为22.52％,输出功率可达55 kW.     

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.     

W波段回旋行波管输出结构的优化设计*

在回旋行波管的设计过程中,输出结构性能的高低直接影响到整管增益的高低以及输出功率的大小。采用切比雪夫渐变波导作为耦合输出段,通过对轮廓线的计算程序进行改进,将中心频率作为可变量进行了修正。仿真结果表明,长度为75mm改进后的切比雪夫渐变结构不仅能抑制工作模式向杂模TE02和TE03的耦合,还能有效减少工作模式的反射。在整个工作频段内,杂模TE02和TE03的耦合系数分别低于-33dB和-65dB,TE01模的反射系数低于-20dB,TE01模的传输系数高于-0.01dB。     

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。     

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...     

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。     

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。     

426GHz回旋管准光模式变换器

采用几何光学模型研究并设计了一个由Vlasov矩形开口辐射器和两级曲面反射器组成的太赫兹回旋管准光模式变换器。利用几何光学理论对Vlasov型准光模式变换器进行了初步设计,采用矢量绕射理论对准光模式变换器进行了详细的分析并编写相应程序,最后结合具体设计参数,得到工作模式在模式变换器中的变换过程。模拟结果表明,太赫兹回旋管中的TE0.6模式在输出窗处被转换为能量集中的准Gauss波束,其效率为89．0％。     

Influence of Reflections of the Output Port on Beam-wave Interaction in Gyrotron Traveling Wave Amplifier

Based on the nonlinear self-consistent theory of gyrotron traveling wave amplifier (gyro-TWA), the influence of the reflections of the output port with the taper on the beam-wave interaction in the gyro-TWA is studied. The simulation results show that the reflections have great effects on the TE₀₁ mode gyro-TWA operating at the fundamental. The influence of the taper angle and the interaction length on the beam-wave interaction and the power profile is discussed and the corresponding physical mechanism is analyzed. The saturated output power keeps same approximately with the increase of the taper angle in the presence of reflection while the saturated gain decreases obviously.     

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%.     

太赫兹二次谐波回旋振荡管

针对应用于动态核极化核磁共振成像的太赫兹回旋振荡器管展开研究,采用相对论电子回旋脉塞非线性理论分析0.46 THz 回旋振荡管互作用系统的动力学行为,研究系统模式竞争问题。优化器件系统参数以获得较高的注-波能量转化效率。利用粒子模拟(PIC)方法验证非线性动力学研究结果,模拟结果显示当工作电压为12 kV、工作电流为0.24 A 时,输出功率和效率分别为173 W 和6%。若采用降压收集极后,则整管效率可进一步提高至14.4%。     

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.     

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%。     

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.     

RF Behavior of Cylindrical Cavity Based 240 GHz, 1 MW Gyrotron for Future Tokamak System

In this paper, we present the RF behavior of conventional cylindrical interaction cavity for 240 GHz, 1 MW gyrotron for futuristic plasma fusion reactors. Very high-order TE mode is searched for this gyrotron to minimize the Ohmic wall loading at the interaction cavity. The mode selection process is carried out rigorously to analyze the mode competition and design feasibility. The cold cavity analysis and beam-wave interaction computation are carried out to finalize the cavity design. The detail parametric analyses for interaction cavity are performed in terms of mode stability, interaction efficiency and frequency. In addition, the design of triode type magnetron injection gun is also discussed. The electron beam parameters such as velocity ratio and velocity spread are optimized as per the requirement at interaction cavity. The design studies presented here confirm the realization of CW, 1 MW power at 240 GHz frequency at TE_46,17 mode.     

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。