P波段紧凑型多注速调管互作用模拟设计

质子加速器广泛应用于高能物理和肿瘤治疗领域,对作为其核心部件的低频段速调管的效率和尺寸有着较高的要求。为满足国内高性能质子加速器的需求,本文设计了一款小型化的P波段多注速调管。与传统单注速调管相比,多注速调管电压低、效率高、体积小。通过在群聚段引入高次谐波腔,可以进一步减小多注速调管的互作用长度,在实现小型化的同时达到高效率。本文介绍了714 MHz、2 MW的脉冲波速调管的初步仿真与计算。利用一维仿真软件和三维仿真软件优化设计,得到了74%的效率,增益为50 dB,互作用长度控制在1250 mm以内。     

Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的研究

应用自行编制的电子注-波互作用的自洽非线性模拟程序,我们对Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的注-波互作用进行了研究.通过对回旋速调管放大器的数值模拟,我们详细描述了二次谐波电子注-波互作用过程中电子群聚的物理图景;并研究了不同变化参数(漂移管长度和静磁场强度)对电子效率的影响.模拟结果表明:设计的二次谐波回旋速调管放大器的电子效率为15.4%,相应的输出功率约为161kW.     

X 波段50MW 高功率速调管注波互作用系统的研究

高功率X 波段速调管必须依靠高性能的注波互作用段来实现,互作用段的作用是使入射的连续电子注逐步 转化为分离的群聚块,之后在通过输出腔的过程中,间隙电场使群聚块减速将电子的动能转化为微波能量向外输出。 速调管的注波互作用段由一组性能参数各不相同的谐振腔组成,各腔的谐振频率、品质因数、特性阻抗以及沿轴线的 分布位置等均对整管的效率、增益和输出功率有直接的影响。我们首先使用基于圆环模型的2.5 维注波互作用程序通 过反复优化找到了一组基本参数,随后在CST 中建立了三维仿真模型对该结构进行了验算,实际计算表明在电子注 电压和电流分别为440kV 和350A 时,速调管的输出功率大于50MW,所得结果满足设计要求。     

S波段小型化高峰值功率多注速调管提高效率的研究

针对一个已有的S波段小型化6 MW多注速调管进行效率提升研究。通过优化输出腔和输出波导系统的设计,提高电子光学系统与高频结构的互作用效率和速调管的效率,进而减少速调管的供电功率。经过优化后的速调管在保持原有的小型化设计下,效率提升了10%。     

Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的PIC模拟

该文根据谐波回旋速调管放大器的注.波互作用特点,分析了放大器稳定工作的条件:对Ka波段二次谐波三腔回旋速调管放大器的注-波互作用进行了模拟计算,对放大器的注.波互作用电路参数进行了优化设计。模拟计算结果表明,在电子注电压为70kV,电子注电流15A,工作磁场为0.685T时,在35GHz频率放大器可以获得超过250kW的输出功率,大于21dB的增益,23%的效率和约为120MHz的带宽。计算结果为实际工程设计提供了有益的参考。     

带状注速调管多间隙输出腔的粒子模拟

带状注器件在高频率、高功率方向发展潜力巨大,而多间隙腔是提高效率和功率容量的有效手段。本文提出了一 种带状注速调管多间隙输出腔,并设计了一种Ka波段带状注速调管输出腔。此输出腔结构可以获得好的输出耦合特性, 以及理想的电场场形。最后通过MAGIC粒子模拟软件对电子注群聚,能量转换以及输出腔频谱特性等作了仿真和详细分 析,在中心频率获得了稳定的功率输出,互作用效率达到50%以上。     

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．     

W 波段带状注速调管注波互作用系统的研究

带状注速调管是采用宽高比值很大的薄矩形注来降低空间电荷效应,采用特殊的高频结构来增加功率容量,从而使注波互作用效率得到提高的一种新型微波电真空器件。本文基于PIC 粒子模拟软件,建立了专门用于计算带状注速调管注波互作用过程的三维设计平台,并应用该平台完成了W 波段带状注速调管注波互作用系统的初步设计,获得了清晰的物理图像和具有参考意义的模拟设计结果。模拟结果表明,在电子注电压为140 kV,电流为15 A 时,该速调管可以获得大于573 kW 的输出功率、27.8 dB 的增益和大于27.3%的效率。     

8mm二次谐波回旋速调管放大器中电子注-波互作用的研究

应用粒子模拟软件对设计的二次谐波三腔回旋速调管放大器进行了数值模拟。分析讨论了二次谐波注-波互作用过程中电子群聚的物理图景和特点，并研究了电子注电流和归一化引导中心半径对电子注-波互作用效率的影响。模拟结果表明，本文设计的二次谐波三腔回旋速调管放大器在35GHz频率可获得约293kW的峰值输出功率和约28％的电子效率。     

一种具有双输出端口的200-kW Ka波段速调管的集成互作用电路设计

文章提出了一种基于集成互作用单元的高效谐振电路，以改善注波互作用，将Ka波段速调管的峰值功率提高到200 kW。被集成的单元电路设计是基于矩形间隙波导中级联的场结构，通过特定边界条件的融合，将两个或多个单注-波互作用单元横向连接在一起（每个单元通常用于传统的单注速调管）。针对输入腔，通过优化注加载参数和腔体参数将两个互作用单元有效地整合在一起，以获得~35 GHz恒定输入功率下的最佳吸收效率。输出腔1）设计有两个输出端口，以平衡功率提取对集成互作用电路的影响；2）通过优化两个预调制的电子束得到200-kW的峰值功率。在注电压为45 kV、单个注电流为5.6 A的条件下，通过粒子模拟（PIC），所设计的Ka波段速调管的整体互作用电路能够产生202.9-kW的峰值功率，效率为40.2%，增益最大达到47 dB。     

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.     

光电子技术

0513334Ka 波段二次谐波回旋速调管放大器的输出特性[刊,中]/梁显锋//强激光与粒子束.—2005,17(1).—113-116(E)根据谐波回旋速调管放大器的注-波互作用特点,对 Ka 波段二次谐波三腔回旋速调管放大器的输出腔进行了数值模拟和优化设计,获得了输出腔末端高频波绕射输出孔径和腔体绕射 Q 值的对应关系。通过PIC 粒子模拟,分析了该放大器的频率响应特点等输出特性。结果表明,在35GHz 频率,磁场0.685T,电子注电压70kV,电流15A,横纵速度比为1.45,输入功率1.6kW 时,放大器可以获得超过220kW 的峰值输出功率、约22%的效率和23dB 的增益,3dB 带宽可以达到110MHz。参9     

强耦合式带状注速调管多间隙输出腔的设计

提出了一种强耦合式带状注速调管多间隙输出腔, 并将之应用于Ka波段带状注速调管输出腔的设计. 此设计可以获得更好的输出耦合特性和理想的场形. 更重要的是, 这种结构的漂移管允许被设计为对工作频率的截止状态, 从而可以获得更理想的电场场形以利于注波互作用. 从表面电流的角度分析了这种设计的理论依据. 通过使用粒子模拟软件进行仿真, 在中心频率获得了稳定的功率输出, 互作用效率达到50%以上, 3dB带宽约75MHz.     

Ku波段1 MW小型化高峰值功率多注速调管

介绍了一种Ku波段1 MW小型化高峰值功率多注速调管的研制。通过对高性能电子光学系统、TM₄₁₀模式高频系统设计以及高峰值功率输出窗在内的多个关键技术作了详细分析和介绍,总结了速调管的设计方法,最终实现良好的电子注动态流通率、50 MHz以上的输出带宽及1 MW以上的功率输出。设计过程和结果可指导其它同类型Ku波段高峰值功率多注速调管的设计。     

反转永磁聚焦S波段高功率多注速调管的设计与研制

设计并制备了一支可作为医疗加速器系统中功率源的反转永磁聚焦S波段高功率多注速调管。介绍了速调管的整体设计细节及仿真过程,对电子光学及磁聚焦系统、高功率输能系统、高频互作用系统等主要部分的设计进行了论述,同时给出了样管的测试数据,在S波段加速器工作频率上获得了大于3 MW的峰值输出功率。     

S波段10MW小型化高峰值功率多注速调管的研究与应用

采用高流通率电子光学技术、高效率高频系统设计技术等关键技术实现了S波段10 MW量级多注速调管的设计和研制。由于该速调管主要通过永磁聚焦的多注方案设计实现了高峰值功率速调管的小型化设计,增加了速调管的实用性和灵活性。设计结果可以指导其它同类型的S波段峰值功率多注速调管的设计。     

P波段长脉冲高效率速调管的研制

介绍了一款长脉冲、高效率的P波段速调管的研制情况,其运用CSM群聚方法通过二次谐波腔使一维设计效率达76%,三维计算效率为70%。详细叙述了电子枪、磁聚焦系统、注波互作用系统、输能装置、收集极的设计细节,着重强调了其在工程化实现方面的考虑。经过排气、总装等工序已经完成了样管研制。该P波段速调管的量产将有助于我国大科学装置的发展,实现功率源关键核心器件的自主可控。     

P波段小型化6MW高效率多注速调管的研制

介绍了一种P波段小型化6MW高效率多注速调管的研制方案,目前该管在P波段已经实现脉冲输出功率6.1 MW,效率68%。通过周期反转永磁聚焦、BAC法结合CSM法优化群聚提高互作用效率、大功率同轴输出窗等关键技术的应用,解决了高效率、高峰值功率容量和高可靠性等难题。     

W 波段五腔回旋速调管放大器的设计

W 波段回旋速调管具有高增益和高输出功率的特点,在军用雷达方面有广泛的应用。本方利用电磁粒子模拟 软件CHIPIC 设计了一个W 波段五腔回旋速调管,优化了互作用电路的结构和工作参数,分析了电子注与场的换能 过程以及工作频率对输出效率和增益的影响。该管的工作模式为TE01 模,当工作电压为70kV、电流为6A、频率为 93.8GHz 时获得了167.3kW 的最大输出功率和39.8%的工作效率。当工作频率为93.65GHz 时取得了50dB 的增益和 400MHz 的带宽。该模拟结果对回旋速调管在雷达方面的应用提供了理论依据。     

C波段多注速调管高频系统的模拟研究

采用电磁仿真软件对C波段多注速调管的输入腔、输出腔及中间腔的高频特性进行了冷腔分析。采用CHIPIC软件对高频互作用区进行了整体建模。为得到稳定且较高的输出功率,对电子束,输入功率及输出耦合结构等参数进行研究分析。通过对结果的分析,模拟整个高频结构的工作情况,在电子束电压28 kV,总电流为14.96 A的条件下,得到了功率为225 kW的峰值功率,效率为50%。