内外开槽高次谐波回旋管自洽非线性理论

本文采用自洽非线性理论对内外开槽结构高次谐波回旋管进行了数值计算,发现这种结构有利于实现高次谐波相互作用,互作用效率高达30％以上,能与普通回旋管相比拟。

光子带隙谐振腔回旋管振荡器的自洽非线性理论

定义了光子带隙谐振腔(photonic-band-gap cavity,PBGC)的等效半径,论证了使用该半径将PBGC等效为具有模式选择性的金属圆柱谐振腔的有效性,揭示了其在PBGC设计过程中的指导性作用.基于等效半径的运用,建立起光子带隙谐振腔回旋管振荡器(PBG回旋管)的自洽非线性理论,并对工作于TE32模的PBG回旋管作了理论分析和数值计算.目前的研究表明:高频电磁场沿角向呈行波或驻波的不同极化形式对PBG回旋管的注-波互作用过程具有较大的影响;较之电子回旋基波,该器件中二次谐波与TE-32模式波的互作用效率更高,提示由于PBGC优秀的选模能力,可望实现回旋管中高阶横向电磁模与高次电子回旋谐波的有效耦合,为相关研究提供了新的线索.

相对论速调管放大器中自洽的非线性理论与粒子模拟的比较

分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程,并提出了完整的数值计算方法。对于束压束流分别为511kV,5kA和800kV,8kA两组典型参数,采用非线性理论和二维粒子模拟程序分别计算了电流调制系数和距离的关系。在线性增长区以及当调制电流达到最大值并开始缓慢下降后,理论与模拟都符合得很好。此外还计算了电子束动能和调制电流的n次谐波的模式强度随归一化距离的变化情况:一次和二次谐波强度较大,八次以上谐波幅度较小而可以忽略。

内开槽结构高次谐波回旋管自洽非线性研究

采用自洽非线性理论对内开糟结构高次谐波回旋管进行数值模拟，发现内开槽结构有利于实现高次谐波互作用，其效率高达３０％以上。

相对论速调管放大器一维非线性理论的数值分析

给出了相对论速调管放大器中归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程,基于MATLAB平台编程并采用递推法、中心差分法、梯形积分法等数值计算方法计算了归一化束电流和电子束动能随归一化距离的关系,以及反映电荷守恒的归一化因子。最后计算了调制电流的n次谐波的模式强度随归一化距离的变化。

毫米波回旋速调管放大器的自洽非线性数值模拟

为了实现回旋速调管放大器的快速设计,基于经典的回旋管的稳态单模非线性理论方法,开展了回旋速调管放大器的束波作用效率的理论模拟研究。由于单模理论无法匹配回旋速调管放大器的输入腔、中间腔两端的突变边界条件,所以输入腔与中间腔都只能采用给定场法进行求解。回旋速调管的输出腔的功率输出端通常采用缓变结构,这种腔体可以采用单模自洽理论进行求解。对两腔毫米波回旋速调管放大器进行了理论模拟,并与商业粒子模拟软件的结果进行对比,验证了该数值理论模拟方法的有效性。

螺旋波纹波导回旋行波管非线性理论研究

非线性理论是一种以驻波互作用过程为对象的大信号理论,它能准确地反应电子与波的互作用过程,计算输出功率、效率等其他非线性理论问题。采用非线性理论中的自洽非线性理论和耦合波理论对螺旋波纹波导回旋行波管进行研究,结和电子运动方程和互作用方程,反映电子运动和场的激励相互演变过程。

Ka回旋行波管自洽非线性注-波互作用研究

通过利用场的正交模式展开法求解有源的Maxwell方程,给出了电子对行波场的激励方程,并结合回旋行波管的具体结构与小回旋电子注的特点,在引导中心系中展开场方程,耦合电子运动方程,从而给出了自洽的回旋行波管的非线性方程。给出了速度离散、介质加载、分布加载对回旋行波管自洽方程的修正。编制了非线性程序,通过数值计算给出电流、速度离散、介质加载、分布加载对回旋行波管输出功率的影响;结合小信号理论对自激振荡的研究,利用非线性理论,可以得出在稳定工作条件下回旋行波管的最优化参数,为制管实际提供理论指导与设计参数。

考虑能量守恒的回旋管自洽场理论

本文研究了一种回旋单腔管的自洽非线性理论。高频场是由腔体几何尺寸和交变电子注电流确定的。它不仅满足腔体两端的边界条件而且也遵守稳态下电子注与场互作用的能量守恒关系。应用这个理论数值计算了一种特定的回旋管的参量。讨论了一些因素对回旋管性能的影响。对考虑和不考虑能量守恒的结果作了比较。

高阶模式回旋管的非线性模拟

通过时缓变圆柱型腔体中电子注与高频场中的电磁波互作用的分析,对电子运动方程进行推导。利用自主开发的高阶模式回旋管的注-波互作用数值模拟软件,对频率为220GHz的回旋管进行了自洽非线性模拟,分析了工作在TE10,4模式下速度比,电子注的偏心以及速度零散时注一波互作用效率的影响。

220GHz回旋管多模自恰非线性模拟

采用了回旋管多模自洽非线性注-波互作用理论,在多个模式同时存在下,每个模式的纵向场随时间和空间变化,最终达到平衡状态。编制了多模自洽非线性计算程序,对220 GHz回旋管进行了数值计算,分析了回旋管中的模式竞争问题,验证了设计的合理性。

相对论速调管放大器两腔束流调制的理论与模拟比较分析

采用一维自洽束波互作用的非线性理论,探索了相对论速调管放大器(RKA)的束流调制特性,并与二维PIC结果进行了比较和分析。首先推导了环形电子束的几何因子,然后分别给出了两腔调制时归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程。采用调制电子束激励中间腔的非线性理论估算了中间腔间隙电压的幅度和相位,幅度的相对误差为0.07%,相位误差为2.15°。给出了输入腔和中间腔的间隙耦合系数公式,对于束压为715.2kV、束流为8kA的电子束,当输入腔和中间腔间隙电压分别为14,315.2kV,输入腔和中间腔相位差为90.59°时,采用一维非线性理论和二维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系。对于基波电流调制系数,中间腔之前处于线性区,理论值与模拟值比较一致;在中间腔内部基波电流调制系数出现明显的下降,理论值与模拟值之间的差距较大;中间腔之后处于非线性区,对于基波电流调制系数的最大值和对应的纵向位置,理论值与模拟值基本一致。当束流传输距离为65.8cm时,计算了归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和电荷守恒参量N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化情况。

多注RKA束流调制的理论与模拟比较分析

采用非线性理论探索了同轴多注相对论速调管放大器(CMRKA)的束波互作用特性,并与PIC结果进行了验证分析。首先推导了实心电子束的几何因子,然后分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程,并给出了多注速调管放大器的同轴输入腔间隙耦合系数的公式。对于束压为600kV、束流为5kA的16注电子束,当输入腔间隙电压分别为4.6,32.7,189kV时,采用一维非线性理论和三维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系,理论和模拟结果比较一致。当间隙电压为4.6kV时,理论计算了多注电子数的个数分别为8,12,16以及实心电子束的半径与单注电子束通道半径比6/15,8/15,10/15(通道半径不变)时基波电流调制系数随传输距离的变化。结果表明,随着多注电子数的个数和电子束半径的增加,基波电流调制系数有逐渐变大的趋势。此外还计算了当间隙电压为20kV时,归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和归一化常数N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化。

Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的优化设计与分析

设计了一支Ka波段二次谐波回旋速调管放大器,并利用基于广义电报方程的时域自洽非线性理论模型,对设计的回旋速调管进行了数值模拟。详细分析了工作电流、横纵速度比和磁场等参数对放大器输出功率、增益和效率的影响,得到了最佳的工作参数。模拟结果表明,在电子注电压70 kV,电流15 A,磁场0.675 T附近,可以获得大于250 kW的输出功率,近26%的效率和440MHz的带宽。

高次谐波开槽潘尼管中的电子轨道研究

利用自洽非线性理论研究了8 mm 3次回旋谐波开槽潘尼管注波互作用。首先,明确地揭示了在高次回旋谐波开槽潘尼管中,电子回旋谐波次数,高频场分布,决定了不同初始相位电子的电子能量分布以及引导中心漂移规律,指出当回旋半径减小,引导中心偏移达到一定程度时,谐振条件被破坏限制了高次谐波潘尼管效率的提高,并提出了通过优化磁场分布提高效率。最后,进一步研究了电子纵向速度离散、偏心和电流大小等因素对互作用效率的影响,表明在实验可达到的电子注质量下,研制实用的高效高次谐波潘尼管是可行的。

用于受控热核聚变的兆瓦级同轴腔回旋振荡器的注-波互作用分析

相对于高阶工作模式的单腔回旋管,同轴腔回旋管具有缓解模式竞争,提高单模工作的稳定性,以及增大功率容量的优点,宜用于受控热核聚变中的电子回旋共振加热和电子回旋电流驱动而受关注.详细地研究了工作频率为170 GHz,TE34,11,模同轴腔回旋管的结构参数、电子束参数及腔壁损耗对注-波互作用的影响.首先对170 GHz兆瓦级功率模式选择进行分析,给出了工作模式.再次,基于时域自洽非线性理论,编写了时域单模稳态注-波互作用程序,分析了电流、磁场强度和腔壁欧姆损耗对互作用的影响,并对工作参数进行了优化.模拟结果表明:当电子束电流为68 A,工作电压为65 kV,引导磁场强度为6.58 T时,可获得2.18 MW的输出功率,49.23%的效率,外腔壁上的欧姆损耗密度峰值为1.94 kW/cm2,内导体表面的小于0.15 W/cm2;互作用效率随速度零散增大而降低,输出频率向下偏移;电子注厚度对互作用也有相似的影响.

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。