超高次谐波太赫兹大回旋振荡管研究

大回旋电子注具有良好的模式选择特性,能有效抑制太赫兹回旋振荡管模式竞争,使得太赫兹回旋振荡管能稳定工作于高次谐波高阶模状态,大大降低工作磁场要求的同时增大了高频互作用电路尺寸,提高了功率容量,为实现大功率、高频率太赫兹波辐射提供了可能。论文基于超高次谐波大回旋振荡管注-波互作用理论研究,借助于三维粒子仿真软件,探讨了超高次谐波太赫兹大回旋振荡管注-波互作用物理过程、模式竞争等问题,优化设计了464 GHz九次谐波太赫兹回旋振荡管,在电子注电压为250 kV,电流为4.5 A时,实现峰值输出功率为7.5 kW,为应用生物医学提供关键技术支持。

太赫兹回旋器件专辑(上)—回旋振荡器 序

回旋管是一种基于自由电子在纵向磁场中回旋受激辐射机理的快波器件,在毫米波太赫兹频段可实现大功率、高频率电磁波输出。由于回旋管的卓越性能,以及在雷达、电子对抗、受控热核聚变、材料、高能物理和生物医学等诸多领域广阔的应用前景,回旋管得到了迅猛发展。回旋管已形成了一个庞大的家族:回旋振荡管、回旋行波管、回旋速调管、回旋返波管、回旋磁控管和回旋行波速调等。

多层式回旋振荡器及其吊架的设计

回旋振荡器是一种既能培养制备生物样品,又能适合小批量生产的生化仪器,是植物、生物、微生物、生物制品、遗传、病毒、医学、环保等科研、教育和生产部门不可缺少的生物培养设备。在进行化学、生物学方面的生物培养过程和制备生产中,常常用到振荡器类装置对容器内溶液进行振荡搅拌混匀,来辅助加速溶液的物理溶解、化学反应过程,因此多层式回旋振荡器及其吊架的使用较为广泛。但是,目前所应用的回旋振荡器虽然具有运动连贯稳定、回旋力矩大、刚性好、噪音低的优点,但是由于其体积较小,对于需要控制多组变量同时进行的生物培养过程中,使用这种回旋振荡器则需要进行多次处理,处理效率不高,需要消耗的时间较多。因此,为提高效率,缩短工作时长,本文将研究开发一种新型多层振荡器。

W波段连续波30kW回旋振荡管高频系统和收集极的设计

根据回旋管的电子回旋脉塞理论,借助于编写的回旋振荡管自洽非线性注-波互作用计算程序,设计出了工作频率94GHz、工作电压30kV、工作电流3A的基次谐波连续波单腔回旋振荡管,工作模式为TE02模。设计的回旋振荡管在电压30.0kV、电流3.0A、速度横纵比1.5的条件下,获得了31.8kW的输出功率,电子效率约35%。利用粒子模拟仿真软件对设计的回旋管收集极辅助线包散焦系统进行了粒子模拟仿真分析,模拟结果表明:借助于辅助线包散焦系统可以有效缩短回旋振荡管的轴向尺寸,并使回旋管收集极上的电子束功率密度低于500W/cm2;W波段回旋振荡管收集极的热测试验结果表明:利用粒子模拟仿真获得的收集极上的电子束功率密度分布与其试验测量结果比较吻合。

140GHz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 k V,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。

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%.

DNP-NMR用263 GHz回旋振荡管高频系统的研究

根据动态核极化核磁共振(DNP-NMR)发展需要,对应用于400 MHz DNP-NMR的263 GHz回旋振荡管高频系统进行研究,通过非线性理论计算程序对其进行分析,给出了工作模式为TE03的高频系统的设计参数。并通过粒子模拟(PIC)软件进行注波互作用计算,结果表明,在工作电压10 kV,注电流0.2 A,电子注速度比为2.0时,设计的高频系统输出功率为460.2 W,效率达到23.1%,约1 GHz的调频率范围,可满足263 GHz整管参数设计要求,从而为DNP-NMR用回旋振荡管的研制打下技术基础。

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。

频率可调太赫兹回旋振荡管互作用电路的设计与研究

根据动态核极化核磁共振成像技术对回旋振荡管的要求,设计了130 GHz回旋振荡管的注波互作用电路,基于线性理论对互作用电路进行了研究并选择了合适的工作点,分析了电路的频率调节特性。利用相对论电子回旋脉塞非线性理论对互作用系统进行了模拟和计算,优化了工作参数,计算了磁场及电子注参数对输出功率及效率的影响。最后,用粒子模拟方法进行了模拟并与非线性理论结果进行了比较,两者符合得很好。模拟结果显示,当电压为10 kV、电流为0.3 A、磁场强度由2.34 T增加到2.41 T时,输出功率由1310 W减小到230 W,对应的效率分别为43.6%和7.7%,振荡管的频率可调范围约为2.7 GHz。

回旋振荡管高频理论及在170 GHz器件设计中的应用

回旋振荡管是一种具有重要发展前景的高功率毫米波源。本文简要介绍了回旋振荡管的结构类别,详细叙述目前应用于回旋振荡管的主要高频理论,包括线性理论和非线性理论,并给出目前应用于高频系统的数值分析软件发展情况,最后利用上述理论及Matlab软件编制出的冷腔和非线性自洽计算程序对热核聚变用170GHz MW级回旋振荡管高频系统进行设计并给出计算结果。

基于CST的W波段回旋振荡管的三维仿真

W波段回旋振荡管是一种重要的高功率毫米波源,对其注波互作用进行仿真,可以有效地提高制管效率,降低研发周期与成本。本文以W波段TE02模回旋振荡管为例,利用CST粒子工作室对其注波互作用过程进行了三维仿真。仿真结果表明,在工作电压50kV,工作电流9A的条件下,激励起了所需的工作模式,获得了92kW的输出功率,效率为21%,所得谐振频率与设计频率的偏差值为0.3GHz。该结果与Magic的仿真结果基本一致,这进一步验证了所设计高频谐振腔的可行性。同时,基于CST的三维仿真给出了直观的注波互作用过程,并展示了寄生模式的功率演变情况,这为后续提升谐振腔性能的改进工作提供了依据。

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TE_(03)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。

94GHz连续波40kW回旋振荡管高频系统的设计

W波段的高功率连续波回旋管振荡器在毫米波非致命武器等领域有着重要的应用。该文首先通过起振电流的计算,确定了工作模式,继而利用自行开发的自洽非线性计算程序GYROSC对工作在94GHz频率的连续波回旋振荡管高频系统进行了模拟计算和优化设计。结果表明,设计的W波段连续波回旋管可获得输出功率40kW,电子效率大于30%。

140 GHz回旋振荡管Denisov辐射器设计

根据几何光学和耦合波理论研究高功率回旋振荡管高阶模式在微扰圆波导中的准光传输特性,并编制出带有微扰结构辐射器准光模式变换系统的仿真程序,给出140 GHz回旋振荡管Denisov辐射器的设计方法及结果,分析其内部激励起的各模式的功率分布曲线和波导壁上的电流密度分布,得到扰动长度为60 mm,总长度为136.5 mm的Denisov辐射器结构,输出功率转换效率为99.1%,可满足140 GHz整管参数设计要求。并利用Feko软件对数值计算结果的可行性进行了有效验证,从而为热核聚变用回旋振荡管的研制打下技术基础。

太赫兹二次谐波回旋振荡管

针对应用于动态核极化核磁共振成像的太赫兹回旋振荡器管展开研究,采用相对论电子回旋脉塞非线性理论分析0.46 THz回旋振荡管互作用系统的动力学行为,研究系统模式竞争问题。优化器件系统参数以获得较高的注-波能量转化效率。利用粒子模拟(PIC)方法验证非线性动力学研究结果,模拟结果显示当工作电压为12 kV、工作电流为0.24 A时,输出功率和效率分别为173 W和6%。若采用降压收集极后,则整管效率可进一步提高至14.4%。

140 GHz,TE_(22,6)模式回旋振荡管高频谐振腔

通过数值计算方法,编程模拟了140 GHz, TE_(22,6)模式回旋振荡管开放式缓变截面谐振腔的传播特性,计算出谐振腔的谐振频率和品质因数;利用CST软件对该高频谐振腔进行仿真计算,得到腔体内横截面的电场分布云图。通过实验和仿真软件得到的数据进行比较,两者有较好的一致性。测试结果表明,当磁场为5.48 T,电子注电流为28 A,电子注电压为68.6 kV时,TE_(22,6)模式的平均输出功率为0.25 kW,峰值功率为0.56 MW。当磁场为5.68 T,电子注电流为27.6 A,电子注电压为69.12 kV时,回旋振荡管可同样工作于TE_(22,6),2模式,平均输出功率为0.21 kW,峰值功率为0.47 MW。

140GHz回旋振荡管用低温超导磁体的研制

根据热核聚变用140GHz回旋振荡管技术要求,研制了一套最高磁场可达6T的无液氦超导磁体。针对回旋振荡管的特殊的磁场位型要求,设计了一套由八组线圈组成的低温超导磁体,工作电流102A,工作磁场6T,不均匀度±1.4‰。采用单台1.5 W@4.2K的G-M制冷机做为冷源,经过70h,将超导磁体冷却至3.6K,并成功加电运行。140GHz回旋振荡管用低温超导磁体的研制成功,为热核聚变用140GHz回旋振荡管的研究打下了技术基础。

170 GHz兆瓦级回旋振荡管设计研究

该文基于广义传输线理论和电子回旋脉塞理论,考察模式谱、深入研究注-波耦合系数和不同模式的起振电流,选择TE32,12模式为170GHz兆瓦级回旋振荡管的工作模式。通过合理调整电子注工作参数有效抑制高次模谐振腔中的暂态模式,优化谐振腔的光滑缓变段来抑制寄生振荡模式。当电子注的横、纵速度比为1.3,引导中心半径为9.4 mm,电压为80 kV,电流为45 A,互作用磁场约为6.715 T时,该只优化设计的回旋振荡管在170.18 GHz频点输出功率超过1.8 MW,效率约为50%。此外,建立切合实际的电子注速度零散模型,讨论了速度零散对该只管子的性能影响。

220 GHz共焦波导回旋振荡管的理论研究与模拟仿真

随着毫米波波段回旋管的研究深入,传统的封闭式圆波导谐振腔的弊端越发明显。根据回旋管非线性理论,设计了一只采用开放式准光谐振腔作为高频结构的回旋振荡管,其工作频率为220 GHz、工作电压为60 k V、电流为3 A、横纵速度比α为1.5、工作模式为HE06模。通过采用自主研发的三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟研究,分析其工作特性,并进一步优化参数。仿真结果表明:所设计的回旋管在磁场为8.57 T的条件下工作,可获得36 k W的峰值功率输出,输出功率效率可达20%。

高功率回旋振荡器光滑同轴谐振腔的分析计算

对170GHz的兆瓦级光滑同轴谐振腔进行了研究,工作模式选为TE34,11,利用编写的MATLAB程序,计算光滑同轴谐振腔中的注-波耦合系数、起振电流、互作用效率。