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.     

利用非线性电场的电子回旋脉塞

电子回旋脉塞(ECM)——一般称为回旋管,是利用回旋电子的相对论群聚效应而产生受激辐射的一种毫米波大功率器件。回旋管突破了传统微波管尺寸受波长的限制。但是它需要有相对论性的电子能量,因而需要高压电源设备,较适合于大功率的场合。本文介绍一种新型的电子回旋脉塞,它利用非线性电场参与对回旋电子的互作用,使非相对论的电子也能产生空间的相位群聚效应,因而产生受激辐射。这种新工作原理的ECM既能利用回旋管所用的高频系统(如过模波导或开放式谐振腔)而较少受波长的限制,又不象回旋管那样需要高的工作电压。本文在简单回顾相对论电子回旋脉塞的工作原理之后,介绍这种新型器件的工作原理及实验结果。     

回旋管

本文介绍回旋管家谱从磁控管到回旋管的微波电子管中回旋加速辐射的受激发射以及回旋管结构。还介绍了回旋管的交变场结构以及电子在接近回旋谐振时的运动和群聚、回旋管的方程和各种回旋管。介绍了实验研究和受激发射回旋辐射的应用问题。     

太赫兹回旋管研究进展

回旋管是一种基于电子回旋谐振受激辐射的快波器件,是目前太赫兹波段输出功率和效率最高的重要器件,本文给出了目前国内外太赫兹回旋管技术的发展状况,分析了太赫兹回旋管的特点和应用前景.     

回旋管辐射功率与磁位形的关系

本文将回旋管的工作磁位形概括为统一的表达式,并通过数值求解相对论电子运动方程,着重讨论了工作磁场位形对回旋管电子效率和输出功率的影响。结果指出在回旋管中最佳的磁位场形是立方形分布,其次是最大值不在互作用区末端的抛物形分布。对于提高回旋管的电子效率和输出功率来说,这两种磁位形都要比线性增加的分布和最大值在互作用区末端的抛物形分布为好。     

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%。     

相对论回旋电子注与驻波场互作用的数值计算

本文从相对论电子运动的基本方程推导出横电(TE)模式下回旋电子注速度相位空间的运动方程。它们适合于回旋振荡管互作用空间的数值计算。对于频率为10GHz的变截面腔TE_(011)场型,工作在回旋基波的回旋振荡管的计算,获得了电子效率为57％和轨道效率为72％的结果。对于频率为35GHz均匀截面腔TE_(021)场型,二次回旋波的回旋振荡管得到了电子效率为26％和轨道效率为40％的结果。文中还讨论了开放式谐振腔纵向场分布函数G(T)、腔体内场幅E_0、电子注半径R_b和轴向磁场B_0等因素对回旋管参量的影响,并给出了相应的结果。     

140GHz/50kW回旋管的研制与测试

回旋管在毫米波与太赫兹频段能够输出高峰值功率和高平均功率,具有重要的应用需求.本文基于回旋管束波互作用理论设计了一只140 GHz回旋管以用于磁约束聚变中电子回旋加热相关元件的测试和老炼,目标是实现最大输出功率不小于50 kW,具备脉冲工作及连续运行能力,且具有一定的频率和功率调节范围以适应测试的需求.根据设计结果开展...     

应用于动态核极化核磁共振的太赫兹回旋管

太赫兹波驱动的动态核极化核磁共振波谱技术能将信号灵敏度提高几个数量级,太赫兹回旋管可实现高功率输出,并有一定的频率调谐范围,符合核磁共振波谱系统对太赫兹辐射源的需求。介绍了应用于核磁共振波谱系统的频率可调太赫兹回旋管的发展,研究了多段式腔体结构以及频率可调太赫兹回旋管中工作电压和磁场与电子注质量的关系。在应用于动态核极化核磁共振的太赫兹频率可调回旋管工作时,多段式腔体结构明显优于传统三段式谐振腔。在设计太赫兹频率可调回旋管时,不仅要考虑改变工作电压或磁场导致的电子横纵速度比的变化,而且还要考虑改变工作电压或磁场导致的电子速度离散和引导中心半径离散的变化。     

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%.     

带状电子注驱动的准光谐振腔回旋管

回旋管作为一种重要的真空电子源,能够在毫米波和太赫兹频段生成高峰值以及高平均功率的电磁辐射,在波谱学、雷达、通信、生物医学等领域具有广泛的应用前景。传统的回旋管将不可避免地面对激烈的模式竞争问题,引入准光谐振腔将有望大大减小模式竞争的激烈程度。本文基于电子回旋脉塞理论,将准光谐振腔及带状电子注进行结合,以期实现更高的输出功率及效率。仿真结果表明,在电子电压为40 kV,背景磁场为8.4 T时,设计的准光回旋管能在220 GHz频点处产生6.1 kW的输出,电子效率达到6.1%且在一段时间内能稳定运行。本文结构将可能为高频段乃至高次谐波工作的回旋管设计提供全新方案,从而进一步用于通信、雷达等领域。     

回旋管在聚变等离子体ECRH加热中的应用

近年来毫米波回旋管得到了迅速的发展,人们预测大功率回旋管有可能在毫米波雷达、大信息容量的卫星通讯和毫米波的电子对抗等领域里得到应用。回旋管的出现还为聚变等离子体电子回旋共振加热(ECRH)提供了强大的功率源。本文将对ECRH加热的实验结果和加热用的回旋管概况作一介绍,并将对大功率回旋管研制中的几个主要技术关键问题进行讨论。     

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.     

在电磁回旋不稳定性中轴向及角向群聚机理的比较研究

本文介绍了电磁电子回旋不稳定性轴向和角向群聚机理的比较研究。轴向群聚可用非相对论处理来说明,而角向群聚其起因是相对论性的。众所周知,轴向群聚机理激励起韦伯型(Weibel-type)不稳定性,而角向群聚机理则激励电子回旋脉泽的不稳定性。对于冷螺旋轨道的电子群,本文给出了两种不稳定性统一的     

在28千兆赫频率上输出功率为200千瓦的脉冲和连续波回旋管

业已设计和制造了脉冲和连续波回旋振荡管,供等离子体核聚变实验中作电子回旋谐振加热使用。所设计的管子在28千兆赫频率上输出功率为200千瓦,电子注的电压为80千伏,电流为8安。设计的脉冲回旋管能在工作比为5％,脉宽达40毫秒的脉冲状态下工作。连续波回旋管已产生200千瓦的输出功率,效率为50％;它也可以在连续波输出功率为170千瓦,效率为52％的情况下工作。     

用于磁约束核聚变电子回旋共振加热系统的兆瓦级回旋管

磁约束核聚变能是目前人类认识到可以根本解决人类能源问题的重要途径之一。电子回旋共振加热(ECRH)和电流驱动(ECCD)是核聚变装置等离子体温度达到约1亿度稳定聚变条件的主要加热方式。而回旋管是ECRH系统高功率微波源的核心器件。本文针对磁约束核聚变能ECRH系统所需的高功率微波源介绍了国内外兆瓦级回旋管的技术发展、研究现状和发展趋势,并探讨了回旋管的未来研究方向。     

35GHz三次谐波低电压回旋管理论研究

用动力学理论分析了三次谐波复合腔回旋管中的注-波互作用,选取了工作点;建立了突变复合腔回旋管的自洽非线性理论模型,该模型既考虑了电子和高频场的自洽相互作用又考虑了复合腔过渡部分模式的耦合,基于该理论模型,对一只三次谐波35GHz突变结构复合腔回旋管中电子注与H₆₁-H₆₂高频场互作用进行了数值模拟,当电流20A,磁场为0.442T时,互作用效率为24%,输出功率为210kW.     

关于电子回旋频率对单腔回旋管参数影响的实验研究

本工作研究了在H02模二次回旋谐波工作的8mm单腔回旋管中,电子回旋频率磁场对振荡幅值、输出功率、工作频率、频谱、工作电压和振荡区等主要参数的影响。利用高稳定的电子回旋频率可使该类器件的频率稳定度达10-5量级,频谱宽度和频谱漂移小于1.5MHz。还为实际应用该类器件提供了有用的数据。     

厘米波段回旋管的实验研究

本文讨论回旋谐振脉泽(回旋管)的实验研究,采用了轴对称绝热磁控电子枪和有衍射功率输出的开放武桶形谐振腔。根据理论上的认识知道,回旋管能够实现稳定的单模振荡(用电动力学选模和电子学选模的综合方法)。甚至在电子速度另散很大时,回旋管的效率仍可达百分之几十。     

140 GHz 回旋振荡管高频腔体的数值模拟*

根据热核聚变用回旋管整管技术要求,对140 GHz 回旋振荡管进行研究,设计了高频腔体结构的尺寸,并通过 非线性理论计算程序对高频腔体进行了分析。研究表明,在工作电压82 kV,注电流45 A,电子注横向与纵向速度比为1.5 时,所设计的回旋振荡管输出功率为1.5 MW,效率达到41.4%,符合140 GHz 整管参数设计要求,从而为热核聚变用回旋振荡 管的研究打下技术基础。