S波段MW级高效互耦磁控管模式分布调控

磁控管高效互耦锁相为基于电真空振荡器的高效率、高功率阵列提供了一种有效的技术方案。互耦结构的引入使得互耦磁控管整体上建立了新的谐振模式序列,其中满足互耦磁控管高效锁相的模式为期望的锁相模式。然而,锁相模式易受到模式序列中邻近模式的干扰,导致工作不稳定。提出一种等效电路与本征模分析相结合调控模式分布的方法,通过调控模式频率分隔,使锁相模式单模工作;同时建立磁控管工作模式与互耦结构耦合场匹配的谐振条件,实现磁控管的高效互耦锁相。为了验证该方法的有效性,设计了基于S波段MW级磁控管高效互耦模型,对锁相模式工作特性进行了粒子模拟,模拟结果表明互耦模型可以稳定工作在高效锁相模式:0相位差模式和π相位差模式,锁定频率约为2.545 GHz,接近磁控管单管自由振荡频率。每只磁控管的输出功率接近单管自由运行时的输出功率,电子效率与单管几乎相同,互耦锁相效率达到了99%,实现了高效锁相。

十二腔高效微波炉用磁控管设计与应用

为响应国家“双碳”战略,提高微波炉能效,设计了一种高效率微波炉用磁控管。该磁控管在12腔谐振腔的基础上,通过改变互作用空间尺寸,增强工作磁场,实现工作效率的大幅提升。仿真和实验结果均表明,在210 mT磁场的工作条件下,该磁控管的最高工作效率为82.7%,平均工作效率为82.4%。

C波段连续波磁控管设计

本文介绍了一种C波段连续波磁控管的设计仿真,首先进行了谐振腔参数设计,通过CST仿真软件进行本征模分析,建立了高频结构模型模拟动态PIC仿真,再通过对比磁控管预起振时阳极电流的不同状态,反向分析阴极的不同发射条件对磁控管起振的影响。最后完成对磁控管制管测试工作,得到工作电压6.3 kV,工作频率5.8 GHz,输出功率1 kW,阳极电流0.3 A及效率52.9%的C波段连续波磁控管。

磁控管自由振荡带宽对其注入锁定带宽的影响研究

自由振荡磁控管的输出信号通常具有一定的带宽,而非理想的单频信号;文章研究了磁控管自由振荡输出带宽对其注入锁定的影响。从统计上认为自由振荡磁控管的输出频率服从正态分布,结合注入锁定理论,计算了磁控管在不同注入频率下的输出频谱。理论分析表明:当考虑自由振荡磁控管输出频谱具有一定带宽时,峰值频率牵引带宽将大于理想单频假设下的锁定带宽;随着自由振荡带宽的增加,峰值频率牵引带宽增加,锁定带宽减小。磁控管注入锁定实验结果表明:自由振荡带宽(3 dB)分别为0.375、1.049 MHz时,其锁定带宽分别为8.4、7.9 MHz,峰值频率牵引带宽分别为10.2、13.9 MHz,验证了理论的正确性。本研究发展了磁控管注入锁定理论。

双源加热系统中负载对磁控管耦合的影响实验研究

为应对磁控管单管输出功率不足的问题,目前工业上广泛采用的是双源及多源加热这一策略,然而该方式缺乏理论支持及实验探究。针对以上问题,基于磁控管注入技术,利用加热腔体中端口之间的耦合完成能量注入,研究了双源加热系统中不同吸收负载对于磁控管单向耦合及相互耦合的影响。实验中成功使用一个输出稳定的磁控管改善了另一个稳定性较差、噪声较多的磁控管的输出,实现了不同耦合状态下的磁控管注入锁定,并测量了不同吸收负载下的频率锁定范围。

S波段永磁式相对论磁控管设计及实验研究

对S波段永磁式全腔提取相对论磁控管进行了理论设计和数值模拟研究,并对其进行了实验研究。通过理论分析初步获取相对论磁控管结构参数,并采用三维电磁仿真软件对模型进行粒子仿真优化,根据引导磁场需求设计永磁磁场产生结构。该永磁式相对论磁控管在500 kV电压输入条件下,输出微波功率1.978 GW,效率49.2%。利用实验室小型脉冲功率驱动源平台开展了初步实验研究。实验中,该永磁式相对论磁控管在脉冲驱动源驱动下获得GW级输出功率,功率转换效率约40%,实验结果与模拟结果吻合得较好。

高功率S波段注入锁定频控功率源研究

针对高功率微波源在深空通信、空间无线能量传输和高功率超导线性加速器等应用中的实时功率控制难题,提出了一种利用注入锁定频率控制输出功率的方法。从理论上分析了注入锁定频控功率源的可行性,并基于双路S波段20 kW高功率磁控管完成了注入锁定频率控制输出功率的实验。实验结果表明,当双路20 kW磁控管的自由振荡频率或注入功率不同时,双管合成的输出功率可通过注入频率实现有效控制,功率控制的范围达到了3 dB,注入锁定的带宽达到了4.0 MHz,输出频谱尖锐,无啁啾颤噪,杂散抑制比为-65.0 dBc@500 kHz。该系统合成输出功率达到了33.9 kW,系统效率约为86.6%。上述研究结果为磁控管在高功率微波领域的应用起到了重大推动作用。

基于磁控管的S波段大功率窄带随机信号源研究

磁控管具有功率大,效率高,体积小,成本低等特点,且输出频谱也与其阳极电压和阴极电流密切相关,据此特性研制了基于磁控管的S波段大功率窄带随机信号源。通过实验探究不同阴极电流和阳极电压下磁控管的输出频谱,并利用微控芯片控制磁控管的阴极电流和阳极电压产生随机变化,实现了大功率窄带随机信号的产生。结果表明,窄带随机信号的中心频率为2.46 GHz,平均输出功率达到1.4 kW,直流到微波的转换效率超过70%。本文研制的大功率窄带随机信号源在通信干扰与抗干扰等领域有潜在的应用价值。

C-X波段同轴磁控管互作用腔快速工程计算方法研究

本文旨在探索一种可快速实现C-X波段同轴磁控管技术指标的设计方法,即通过《磁控管设计手册》工程计算和计算机PIC粒子仿真设计两种方法复算某C波段250 kW同轴磁控管,对比分析两种计算方法的结构参数,总结基于手册工程计算得到的结构参数的优化调整方向,结合本征模求解精确计算外腔TE 011模频点等措施,以达到提高同轴磁控管设计效率的目的。基于本文研究的同轴磁控管设计方法,开展了X波段500 kW同轴磁控管的初始结构设计工作,通过有序的结构参数调整,在较短的时间周期内实现了输出功率、工作频点均满足设计要求的π模稳定工作的计算仿真方案,初步验证了本文研究的同轴磁控管互作用腔设计方法的可行性。

医用微波理疗磁控管装置控制系统设计

微波具有良好的穿透与吸收特性,可用于医疗领域。作为典型的微波发生装置,磁控管可以将电能转换成微波能量,微波能量聚集后作用于医疗对象,进而产生相应的理疗效果。为了解决微波能量输出过程中的可靠性问题,需要研发相应的控制装置来实现磁控管微波能量的持续稳定输出。文中在掌握了磁控管器件工作特性的基础上,设计了基于交流双向斩波控制的磁控管驱动控制系统。该系统实时采样磁控管阳极工作电流,控制器对工作电流进行偏差整定后采用比例积分微分(Proportional Integral Differentiation,PID)进行控制,在电流闭环的方式下实现了磁控管微波的连续可调恒功率输出。作为小型物理型辅助理疗装置,系统经过持续不断的优化,设备在市场上已经得到了广泛应用,取得了较好的应用效果。

清华大学X波段兆瓦级同轴磁控管的研制进展

在过去的十余年中,清华大学加速器实验室致力于X波段同轴磁控管的研发。自2012年成功研制出X波段1.5 MW同轴磁控管(XM-2012)以来,坚持在物理设计、加工工艺和老炼测试等环节进行深入研究,在原有基础上迭代优化出MGT3、MGT4等型号的同轴磁控管,最新样管峰值功率达到1.7 MW以上,与新研发的X波段加速管集成,研制出高稳定性紧凑型加速器系统,剂量率达到800 cGy/min(1 m)以上,达到与S波段加速器系统同等水平;同时对磁控管锁相理论和功率合成进行了大量研究,并在此基础上发展出平行阴极磁控管,将X波段磁控管的输出功率提升到S波段磁控管水平,为进一步拓展X波段高功率磁控管的应用打下了坚实的基础。

S波段3.3 MW脉冲磁控管的可靠性技术研究

在S波段3.3 MW脉冲磁控管研制过程中,连续多支磁控管在工作比为1.05‰的条件下工作不足100 h,阳极端盖出现明显的氧化现象,经分析轴向电子轰击端盖产生局部高温是引起磁控管阳极端盖氧化的一个重要原因。本文对阴极发射体端部结构进行改进,仿真分析及实验结果证明了改进后的结构可实现对轴向电子的有效抑制。改进后的磁控管在脉冲电压为47.5 kV、脉冲电流为120 A、脉冲宽度为4.2μs、工作比为1.2‰的条件下,输出脉冲功率大于3.3 MW,磁控管已稳定工作超300 h,阳极端盖无氧化现象发生。实验结果为进一步提升磁控管技术性能及推广应用打下了良好基础。

S波段磁控管阴极预群聚技术机理研究

阴极预群聚技术对磁控管的振荡建立过程具有显著的影响,但其作用机理仍然需要进行深入研究。本文对采用角向均匀分布的圆柱形多发射体阴极进行数值模拟,分析了互作用空间场分布及空间电子的运动规律,揭示了多发射体阴极与实体圆柱体阴极在磁控管的起振过程中存在显著差异。多发射体阴极的静电场角向分量与偏置磁场引入的洛伦兹力增强了初始阴极发射的电子向阳极漂移的能力。多阴极磁控管电子轮辐的外边缘更贴近阳极表面,群聚的电子在角向上具有周期性连续变化的速度分布,使得电子与高频场的能量交互更加充分。引入阴极预群聚技术的五阴极磁控管具有起振时间快、输出功率大、效率高等优点,从空间电场分布规律可知,阴极预群聚技术可降低布里渊半径,减少空间电荷对磁控管输出性能的影响。

相对论磁控管的实验研究

简要分析了相３对论磁控管的主要特点与问题，编制了谐振系统数值计算程序，通过数值计算与冷测，对不同阴极尺寸与输出结构的磁控管进行了研究，清晰地描述了磁控管的振荡模式与简并现象。制作了Ａ６型相对论磁控管并进行了热测实验，研究了输出功率与工作磁场的关系，经过大量优化工作，在Ｓ波段获得了３８０ＭＷ的微波辐射。

A6磁控管谐振系统的计算与模拟分析

利用等效电路法和高频分析软件 (HFSS)对 A6相对论磁控管谐振系统进行了理论计算与模拟分析 ,着重考虑了相对论磁控管端帽的引入对谐振频率的影响。模拟和冷测均表明 :相对论磁控管端帽的引入将对谐振频率造成一定影响 ,在端帽的某些尺寸下 ,同一模式将会分裂出两个谐振频率。这将加剧磁控管内部的模式竞争而不利于磁控管的工作。

阴极发射电流对磁控管性能的影响

利用三维粒子模拟软件,比较研究了在磁控管模拟计算中三种阴极发射方式在电流控制、宏粒子数和计算度上的不同,确定了Beam发射是电流控制的最好发射模式;在固定电子能量的基础上,研究阴极电流发射密度分别为9A/cm 3A/cm^2和7A/cm^2下的输出频谱和模式竞争过程,研究结果表明:选择合适的发射电流大小有利于磁控管频谱噪声抑制．

单阳极磁控注入电子枪的设计

该单阳极磁控注入电子枪是为 8mm永磁包装回旋振荡管设计的。首先利用绝热理论和角动量守恒理论进行了初始的电极参数设计 ,其次讨论和选取数值计算方法 ,然后利用自编的程序进行数值计算和优化 ,同时讨论了空间电荷的影响和速度零散的改善 ,最终得到最佳的电极和电子注参数。该电子枪已经应用于制管实验中。

永磁体相对论磁控管的实验研究

简要分析了永磁体相对论磁控管的主要特点与基本原理 ,编制了永磁系统数值计算程序 ,设计制作了相对论磁控管用永磁体并进行了测试。根据所得的磁场数据对相对论磁控管进行了模拟设计与实验研究。在 S波段得到了 4 3 0 MW左右的微波输出功率。

复合稀土氧化物-钼-铼金属陶瓷阴极的次级发射性能

研究了复合稀土氧化物钼铼金属陶瓷阴极的二次电子发射系数和抗暴露大气性能,对发射后的表面进行了表面分析,并与单元、复合稀土钼金属陶瓷阴极进行了对比。研究结果表明:加入微量铼的复合稀土氧化物钼金属陶瓷阴极的二次电子发射系数可提高8%,其最大次级发射系数δm为2.65,且具有较好的抗暴露大气性能。

基于粒子模拟的X波段磁控管频谱畸变改进

针对一种X波段磁控管工作模式的频谱畸变问题,以谐振系统互作用空间结构参数和整管工作参数、冷热测数据为基础,基于CST微波工作室的粒子模拟仿真模块,建立了该管芯的基础数据三维模型;以阴极轴向高度、阴极发射面直径、阴极发射与工作磁场、工作阳极电压为变量,通过对各参数组合的整管粒子模拟过程信息和仿真结果的比较,分析工作状态时该管的谐振腔与输出波导内各模式振荡建立与稳定时的相对幅度与工作频率变化,发现阴极尺寸、阴极发射与工作磁场的不匹配,导致工作模式分裂或过强的竞争模式对工作模式的干扰,使工作模式频谱畸变。通过优化管芯主要结构参数与工作参数,适当增加阴极轴向高度和阴极直径,降低阴极表面轴向磁场,选取合理的阴极热发射范围,解决了该管工作模式的频谱畸变问题。