基于IOT放大器的微波功率源在超导直线加速器上的应用

中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)的直线加速器由两个4-cell超导加速腔构成,每个加速腔的激励由1套基于感应输出管(IOT)放大器的L波段微波功率源(25kW)提供。本文介绍了微波功率源的基本原理、组成结构和调试过程,以及微波功率源在功率耦合器老炼平台和超导直线加速器上的一些实验结果。微波功率源安装调试后工作稳定,两套微波功率源的主要参数均达到设计要求。超导直线加速器的幅值稳定度和相位稳定度分别为0.04%和0.08°,优于设计指标。

CAEP太赫兹自由电子激光首次饱和出光

中国工程物理研究院基于超导射频直线加速器的谐振腔型太赫兹自由电子激光(CTFEL)于2017年8月29日16时首次饱和出光,并稳定运行,中心频率2.56THz,谱宽1.9%,宏脉冲平均功率大于5.7 W。

太赫兹自由电子激光的受激饱和实验

中国工程物理研究院基于半导体光阴极高压直流电子枪和超导直线加速器的高平均功率太赫兹自由电子激光达到了受激饱和,并实现了太赫兹光输出频率可调.在1.99,2.41和2.92 THz三个频率点上进行测试,测得太赫兹宏脉冲内平均功率大于10 W,最高达17.9 W.本文介绍了太赫兹自由电子激光装置的主要组成部分及受激饱和实验的结果.

能量倍增器法微波脉冲压缩

为了开展S波段能量倍增器脉冲压缩实验,对能量倍增器进行了冷测和热测工作,主要包括对能量倍增器的指标、参数的测量以及在高功率下对能量倍增器的输出功率、功率增益等参数的测量。实验中,完成了微波固态源系统的改造,研制了同步信号控制器,研究了输入输出脉冲宽度对输出峰值功率的影响,并对实验中可能的射频击穿问题进行了研究。在输入功率5 MW时,得到了功率增益7.122,输出脉宽260 ns,输出峰值功率35.35 MW。

中物院太赫兹自由电子激光装置现状及升级计划

中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置(CAEP THz FEL,CTFEL)是国内唯一运行的基于超导加速器的高平均功率自由电子激光太赫兹源,具有频率连续在线可调(0.1~4.2 THz)、高峰值功率(>0.5 MW)、高平均功率(>10 W)、高重频(54.17 MHz)、短脉冲(~ps)、窄线宽(~2%)、全相干和线性偏振等特点。自2017年出光以来,已稳定运行了四年多,并开展了诸多应用实验研究。为进一步满足用户需求,CTFEL计划升级为一台红外太赫兹自由电子激光装置,电子束能量提升至最大50 MeV,频谱范围拓展至0.1~125 THz,同时,建设材料光谱和生物医学两个实验站。

高功率微波脉冲压缩的能量倍增器

为了实现高功率微波初级波源的小型化,获得更高功率的输出微波脉冲,研制了用于高功率微波脉冲压缩的能量倍增器。利用了快速反转开关,实现了功率的瞬时放大。实验结果表明在输入微波功率达到5.3MW时,输出脉冲功率可以达到35MW,输出峰值功率增益达到7dB。在此基础上对PM–AM技术进行了研究,并通过该技术获得了平顶的输出微波脉冲,以满足不同实验对初级波源的需求。

微波脉冲压缩研究

简要介绍了微波脉冲压缩技术的原理和实现方法,对储能切换法、能量倍增器法和功率二进压缩器法的实验原理进行了阐述。为了获得高功率的输出脉冲进行了L波段单路以及双路储能切换法脉冲压缩的实验,获得了GW级的输出脉冲。在此基础上对微波脉冲压缩的前景以及即将开展的工作进行了一个展望。

微波零相位法测量超导加速器ps级电子束纵向长度

本文基于微波零相位法,将中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光(CTFEL)2×4-cell超导加速器的下游腔作为零相位腔,测量了上游腔增能后的电子束纵向长度,并通过束流动力学模拟证明,当两个超导腔正常工作时,上游腔出口处的电子束纵向长度与下游腔出口处的接近。实验结果表明,CTFEL2×4-cell超导加速器能实现半高宽小于6.8ps的电子束,满足装置出光要求。

HPM脉冲压缩双路并联功率合成实验

2002年初在HPM脉冲压缩实验中用微波自击穿开关和储能切换法脉冲压缩技术获得了功率339MW，脉宽11．4ns，功率增益79．5倍，重复频率12．5Hz的微波脉冲输出。为了进一步提高脉冲压缩系统的稳定性和输出功率水平，提出了HPM脉冲压缩双路并联功率合成的最新方法，在2004年内进行了实验系统的调试及初步的实验研究工作。

中物院太赫兹自由电子激光:设计、运行及升级

中物院太赫兹自由电子激光(CTFEL)装置是我国第一台基于超导加速器的高重复频率、高平均功率太赫兹自由电子激光装置。CTFEL利用光阴极直流高压电子枪和超导加速器产生约8 MeV电子束在波荡器中产生自发太赫兹(THz)辐射,并在光腔中受激放大获得饱和输出。得益于在0.7~4.2 THz频谱范围内连续可调以及平均功率大于10 W的特性,CTFEL为材料动力学、太赫兹成像、太赫兹生物学等领域提供了独特的研究平台。自2018年开放成为用户装置以来,每年提供不少于1000 h的稳定出光。未来CTFEL将在现有基础上升级成为红外太赫兹自由电子激光装置,实现太赫兹频率全覆盖以及最大功率大于100 W的目标,力争成为世界先进的长波长自由电子激光装置。

高功率微波脉冲压缩储能谐振腔的测量与调试

储能谐振腔是高功率微波脉冲压缩系统实验的核心部件，精确测量有关储能腔参数，修正谐振腔尺寸，调整实验系统的微波参数，使储能阶段H—T的泄漏最小、谐振腔的储能效率达到最大是非常关键和必要的。介绍了L波段高功率微波（HPM）脉冲压缩谐振腔的微波参数的测量，并根据微波参数测量的结果对谐振腔进行了调整，使谐振腔的储能效果明显改善；分析了不同气体成分及充气气压与本征频率之间的关系及其抗击穿性，作为工作介质，SF6含量为30％-50％，SF6-N2混合气体综合性能较好的。

脉冲压缩系统微波输入耦合窗的设计

在高功率微波(HPM)脉冲压缩系统中，储能谐振腔能否实现最大储能效率，微波输入耦合窗的正确设计是非常重要的。谐振腔与波导管之间采用的是耦合孔，当假定腔体是无耗时，则其等效传输线电路如图1所示。jX^-L与jtanβd的并联构成了耦合孔平面处总的归一化输入阻抗为Z^m=jX^-L tanβd/(X^-L+tanβd)希望空腔谐振在谐振时与波导匹配，

L波段高功率微波脉冲压缩双路并联功率合成结构设计

通过理论研究，提出了采用高功率微波(HPM)脉冲压缩双路并联功率合成的办法，使用同样一套微波源可使微波输出功率比单路输出提高1．5倍以上。脉冲压缩双路并联功率合成，实际使把直接输入型矩形波导腔以开关为对称轴做了一个镜像波导，并把两者连接起来。由于对称，两者工作情况一样，开关至两个H-T口中线之间的距离是1，4波长的奇数倍，其储能腔长是1／2波长的整数倍。开关导通时，开关处可以看作放了一个短路板，这样储能谐振腔就被分为两个对称部分，一起输出脉冲。由于两部分的输出功率大小一样而相位相反，因此，用一个E-T合成器就使两路输入功率相加后输出，输出功率将大大提高。

中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置总体设计

中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置是一台用于材料、光谱、生物、医学等领域前沿研究的多功能用户装置,在实验室现有的太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)基础上,拟新增两套2×9-cell超导加速单元和两台波荡器,将电子能量提升至最大50 MeV,输出频率覆盖范围拓展至0.1~125 THz,最大宏脉冲功率大于100 W。同时,采用跑道型束线设计,拟建设一台小型能量回收型直线加速器实验研究平台。本文主要介绍了中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置的总体设计、工作模式以及用户实验站布局。