170 GHz回旋管电子枪的设计

170 GHz回旋管是等离子体核聚变中电子回旋谐振加热的理想功率源,在功率上要求具有1 MW以上的输出功率.要产生这么大的输出功率,就需要具有足够大横向能量的电子注与高频场的横向电场进行互作用,因此要对电子枪进行专门的设计.利用绝热压缩理论及相关的仿真软件对双阳极磁控注入电子枪进行了设计,得到了较好的电子注参数.所设计的电子枪能在工作电压80 kV、工作电流40 A 的条件下为170 GHz 基波回旋管提供所需的回旋电子注,其引导中心半径为8.27 mm,横纵速度比1.5.     

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%.     

W 波段回旋行波管双阳极磁控注入电子枪的设计

回旋行波管是大功率、高频率的微波毫米波器件。根据W波段回旋行波管的要求,设计了双阳级磁控注入电子枪。由电子光学理论,计算得到电子枪的初始参量,然后利用粒子模拟软件MAGIC构造电子枪模型,分析电子枪各个参数对电子注性能的影响,为电子枪设计优化提供了一定的依据。最后优化得到符合设计要求的低速度零散电子枪结构。电子枪阳极电压为70kV,电流10A,电子注速比1.07,电子注横向速度零散0.8%。     

双注电子枪中最小二乘法拟合磁场的研究

用粒子仿真软件EGUN和MAGIC仿真电子枪时,需设置一组线圈来拟合磁控注入电子枪的磁场.为了提高设计效率,采用最小二乘法计算线圈参数,拟合电子枪磁场,计算结果用于34GHz双注磁控注入电子枪的仿真中,仿真结果表明:最小二乘法能够直接计算出拟合磁场的线圈组合,提高设计电子枪的效率;仿真的双注磁控注入电子枪电子速度零散小,横纵速度比适中,满足回旋管对电子枪的要求.     

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.     

W波段二次谐波回旋振荡器

针对谐波回旋管互作用效率低的问题, 以自洽非线性理论为基本工具, 系统地分析了三个关键因素, 即互作用腔体长度(Q值)、电子注的横纵速度比和工作电压对二次谐波互作用系统性能的影响.研究发现当工作磁场选择在硬激发区时, 通过综合调节电子注的横纵速度比和工作电压能够获得较高的互作用效率.基于自洽非线性理论优化设计了一个W波段二次谐波回旋振荡器, 粒子模拟(PIC)结果显示当电子注速度离散３％, 工作电压37 kV, 电流4 A时, 输出效率达到了39.5%.     

3mm回旋行波放大器单阳极磁控注入式电子枪的设计

该文根据3mm回旋行波放大器对电子枪的要求,完成了单阳极磁控注入式电子枪的设计。首先由绝热理论和角动量守恒关系式,求出了电子枪的初始设计参数,如阴极倾角、电子注发射表面宽度和阴-阳极间距离等;然后借助电子注轨迹分析程序EGUN,利用数值计算的方法得到了最终的电子注参数。结果显示:在电子注加速电压70kV,工作电流4.55A,电子注的横向与纵向速度比为1.0时,电子注的轴向速度零散为2.4%,能够满足回旋行波管放大器对电子注低速度零散的要求。     

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。     

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%.     

W波段回旋行波管仿真设计与热测实验

通过软件仿真方法分析和设计了W波段回旋行波管的输入输出耦合器、磁控注入式电子枪以及高频互作用电路,根据优化结果加工了实物并进行了热测实验.实验结果表明,电子注电压60 k V,电流6 A,在94 GHz频率获得了最大峰值功率78 k W,增益53.9 d B以及21.7%的效率,峰值功率大于50 k W带宽达到3.8 GHz.PIC粒子模拟和热测实验均表明,设计的W波段回旋行波管能够稳定的工作,从而证明周期加载高频互作用电路在抑制寄生模式以及自激振荡方面具有很大的优势.     

W波段四腔回旋速调管放大器

介绍了W波段四腔回旋速调管放大器的设计.放大器工作在基膜TE01圆电模式,电子束工作电压70 kV,工作电流6A,设计的双阳极磁控式注入电子枪,电子束纵横速度比1.5,速度零散小于4％.采用粒子模拟方法分析了各种参数对器件性能的影响.模拟结果显示,设计的放大器在电子束速度零散4％的情况下,增益35 dB,带宽800 MHz,输出功率100 kW,效率为23.8％.     

Ku 波段回旋行波管设计与分析

设计了用于Ku波段的介质加载回旋行波管。阐述了磁控注入电子枪的设计,采用均匀介质加载的结构来抑制回旋行波管的自激振荡,降低了回旋行波管的起振电流,同时提高了寄生模式的起振长度。设计了线极化输入耦合器。设计的回旋行波管工作电压为70kV,工作电流为10A,最大峰值功率210kW,最大功率处增益为35dB,3dB带宽为1.8GHz。     

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%。     

W 波段低电压回旋振荡管的研究

文中通过对复合腔结构的W 波段二次谐波回旋振荡管高频结构、起振电流、模式竞争及注波互作用研究, 确定了工作模式为TE02-TE03 的W 波段低电压二次谐波回旋振荡管的基本工作参数。粒子模拟表明,应用25kV,4A, v⊥/v‖=1.6 的双阳极磁控注入枪时,该管能够在94GHz 频率产生26.6kW 的峰值输出功率,高于26%的效率。并且结果 表明,该管在该工作模式下工作稳定。     

高功率低速度零散单阳极磁控注入电子枪的研究

该文利用基于绝热压缩原理和角动量守恒理论的解析方程组,在对电子枪相关参量分析的基础上,研究一种阴极采用鼻状辅助聚焦极的单阳极磁控注入电子枪。通过电子光学软件EGUN-226对电子枪结构进行优化设计,比较分析了不同横纵速度比对电子注轴向速度零散的影响。结果表明这种结构的电子枪可以适应比较大的电流应用。     

Ka波段二次谐波回旋行波管放大器的研究

二次谐波回旋行波管放大器的互作用磁场比基波回旋行波管放大器的磁场降低了一半,从而降低了设计难度,具有广阔的应用前景。通过对周期介质加载结构的Ka波段二次谐波回旋行波管电子枪、高频结构、模式竞争以及注波互作用研究,确定了Ka波段TE02模二次谐波回旋行波放大器的基本工作参数,通过PIC模拟计算,在电子注电压为90 kV,注电流为25 A时,获得了大于200 kW的输出功率,超过40 dB的增益。     

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。     

W波段低电压三次谐波回旋振荡管

回旋振荡管采用三次谐波工作方式的互作用磁场只有基波状态磁场的三分之一,可有效降低设计难度,具有广阔的应用前景。通过对三段式单腔结构的耦合系数、起振电流、高频场分布、模式竞争以及注波互作用研究,确定了工作模式为TE03的W波段低电压三次谐波回旋振荡管的基本工作参数;通过粒子模拟软件(PIC)模拟分析,在电子注电压、注电流及速度比分别为35 kV、4 A和1.6时,在93.7 GHz频点处获得15.57 kW的输出功率,效率约11.1%,且该管可在此工作模式下稳定工作。     

回旋管电子枪的发展及其评述

回旋管电子枪是一种具有重要发展前景的高功率微波源(HPM)电子枪。该文简要介绍了回旋管电子枪的结构和设计原理,并且评述了国际上加旋管电子枪的发展状况及趋势,着重介绍了大回旋电子枪的发展状况及趋势,并指出了回旋管电子枪发展中存在的一些关键问题及一些建议。     

利用边界元法设计回旋管单阳极磁控注入枪

利用边界元法编制了计算磁控注入枪的程序,并使用该程序设计和模拟一个工作在35GHz,70kV,10A基波回旋放大器的单阳极磁控注入枪,得到较好的计算结果。并给出了工作电压、磁场分布对电子束性能的影响。结果表明,边界元法在分析磁控注入枪系统和回旋器件电子光学方面是一种非常有效的方法。