相对论扩展互作用腔振荡器重复频率稳定运行研究

分析了相对论扩展互作用腔振荡器(Relativistic Extended Interaction Cavity Oscillator)初次实验中存在的模式竞争和重复频率运行不稳定等问题.通过改进扩展互作用腔振荡器的长度,抑制了模式竞争问题;优化设计和选择了三轴提取腔和收集极结构与材料,解决了重复脉冲REICO的高功率稳定运行问题,减轻了脉冲缩短问题,稳定运行重频从15Hz提高到100Hz,辐射微波脉宽由20ns增加到38ns.采用900kV/16kA/45ns的电子束驱动REICO,实现了峰值功率4.1GW、频率2.85GHz、脉宽38ns、重频100Hz的辐射微波稳定输出,功率效率26%,能量效率22%,辐射微波平均功率16kW.

开孔锁定长脉冲相对论扩展互作用腔振荡器的实验研究

提出并研制成功了开耦合孔锁定的长脉冲、重复频率运行的相对论扩展互作用腔振荡器(REICO)。将数值模拟和实验研究紧密结合,分析了长脉冲REICO实验中模式竞争和脉冲缩短的根源,提出了开耦合孔的三间隙扩展互作用腔结构,有效抑制了长脉冲束流调制的模式竞争和脉冲缩短问题,使调制束流脉宽由60 ns提高到140 ns,调制束流由2 kA提高到5 kA,经过优化REICO参数,使器件的辐射微波功率和效率有了明显提高。采用500 kV/4.2 kA/210 ns/20 Hz的电子束驱动S波段REICO,实现了峰值功率570MW、频率2.89 GHz、脉宽大于160 ns、重复频率20 Hz的辐射微波稳定输出,功率效率27%,能量效率23%。

220 GHz耦合腔扩展互作用速调管研究

设计和研究了一种太赫兹波段耦合腔扩展互作用速调管,应用CST软件建模仿真得到其几何参数,进行冷腔仿真,得到了色散曲线和工作点,并且对其进行优化;再用PIC软件建模对其进行热仿真,在工作频率222.967GHz和工作电压12620V下得到管子的输出峰值功率为16W;3dB带宽为230MHz,效率为1.5%,带内最大增益为27.2dB。

W波段带状注扩展互作用速调管三维MAGIC研究

带状注扩展互作用速调管通过采用宽高比值很大的带状电子注来降低空间电荷效应,采用多间隙结构来增加功率容量,是一种高频率、高功率的微波真空放大器件。本文利用CST Microwave Studio与MAGIC设计了2π模W波段带状注五间隙扩展互作用谐振腔,重点研究了五间隙谐振腔关键结构参数对谐振腔特性阻抗与谐振频率的影响,并对器件稳定性与带状注双腔速调管注波互作用特性进行了三维MAGIC仿真与分析。最后,在电子注电压为19.5 kV,电流为3.5 A时,获得大于8 kW的输出功率、23 dB左右的增益。

X波段带状注速调管注波互作用系统的3维PIC模拟

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。本文对工作在π模状态下的X波段带状注速调管三间隙腔进行了模拟计算,并对由该型腔体构成的注波互作用系统进行了3维PIC模拟,给出了初步的模拟设计结果。模拟结果表明:在电子注电压为415kV,电流为250A时,该速调管可以获得大于29.6MW的输出功率、34.3dB的增益以及29.6%的效率。

宽谱窄脉冲高功率微波产生的初步研究

为了探索短电脉冲产生高功率微波技术,采用理论和粒子模拟方法分析了短电脉冲(脉宽不大于30ns)驱动S波段相对论扩展互作用腔振荡器(REICO)产生高功率宽谱的技术可行性,开展了原理性的实验验证。采用Marx发生器产生的前沿15ns、后沿30ns、电压560kV、束流2.8kA的类三角形电子束脉冲激励REICO,模拟产生了410MW、脉宽8ns、相对瞬时带宽2.7%的微波,实验输出了160MW、脉宽10ns、中心频率2.75GHz、瞬时相对带宽2.8%的高功率微波。