大半径同轴谐振腔太赫兹回旋管研究

为了发展大功率太赫兹辐射源,本文对大半径同轴谐振腔回旋管进行了理论和数值模拟研究,理论计算结果表明在同轴谐振腔中其角向对称的TE0n模式的截止频率与n近似成正比关系,与内外导体之间的距离近似成反比关系.根据上述特点作者设计了一只大半径同轴腔0.3THz、TE04模回旋管,数值计算和粒子模拟结果表明:大半径同轴谐振腔太赫兹回旋管与空心波导谐振腔回旋管相比具有很多优点:腔体尺寸相对较大,工作电流可以大幅度提高;其对称的TE0n模式与非对称的TEmn模式的间隔较大,有利于克服模式竞争.

双频工作同轴双电子注回旋管的理论与实验研究（英文）

该文章研究双频工作同轴双电子注回旋管。数值计算和粒子模拟结果表明同轴双电子注回旋管可以同时工作在两个不同的频率,且由于两个电子注间的非线性耦合,高次回旋谐波所对应模式的功率显著增强。完成了双频工作的同轴双电子注回旋管的原理样管加工并进行了验证性实验,实验测得两个工作频率分别为0.11 THz和0.22 THz,输出功率20 k W,并提出了一种分离双频工作同轴双电子注回旋管中两个不同频率电磁波功率的方法。

220GHz高功率同轴谐振腔回旋管

介绍了220 GHz同轴腔回旋管的设计,工作模式为TE04圆电模式.采用自洽非线性理论对谐振腔的工作参数进行了参数优化,选取工作电压50 k V,工作电流10 A,工作磁场8.4 Tesla.设计的同轴型双阳极磁控注入式电子枪,电子注速度横纵比1.5,速度零散5.2%.并采用粒子模拟方法进行了整管仿真.理论计算与粒子模拟结果表明,设计的220 GHz同轴腔回旋管有望获得200 k W以上的输出功率与40%以上的互作用效率.

同轴腔高阶模式回旋管振荡器中多模起振过程的非线性模拟

给出了工作在高阶模式下的同轴腔回旋管振荡器,在考虑竞争模式情况下的多模起振过程的数理模型和具体的数值计算方法。以此为基础编制的程序对一只工作于高阶模式TE42,22,频率为0.22THz的同轴腔回旋管振荡器进行了多模非线性模拟研究。结果表明:在合适的腔体结构参数并考虑腔壁上的欧姆损耗情况下,竞争模式得到有效抑制,可以稳定地工作在单一模式,输出功率达0.87MW,效率为22.8%,腔壁上的欧姆损耗低于其所能承受的最大值。

回旋管同轴谐振腔模式的选择

为了研究回旋管工作模式的选择机理,分析了圆柱波导开放式谐振腔、光滑同轴谐振腔和纵向内开槽同轴谐振腔相应波导的色散特性,进而研究了这些谐振腔内模式竞争的问题。对同轴结构波导色散方程作了相应的数值计算,结果表明,同轴谐振腔利用自身色散曲线与谐振腔内外半径比值的数值关系,能够使在开放式谐振腔内无法工作的高阶模式在其内部稳定工作。最后,以德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)研制的同轴回旋管为例,进行了相应的分析计算,结果表明纵向内开槽同轴谐振腔相对于光滑同轴谐振腔更适合高阶模式的稳定工作。

采用坡度磁场提高同轴腔电子回旋管的效率

通过选择适当电子初始的横纵向速度比,并引进坡度磁场的方法,来提高同轴腔电子回旋微波激射器效率。非线性模拟表明,用这种办法可以将德国卡尔斯鲁研究中心研制的同轴腔电子回旋微波激射振荡器的实验效率,从26.7%提高到31.5%。这种效率放大的物理机制是:坡度磁场改变了相对论电子的运动条件,有效地改善了波束互作用过程中电子的群聚状态,使电子束有更多的动能转换为电磁能,从而提高了电子束的换能效率。

220GHz同轴谐振腔回旋管研究

同轴谐振腔相比波导谐振腔具有更大的功率容积,通过调整内外径的尺寸还可降低模式竞争。本文介绍了电子科技大学目前220 GHz同轴谐振腔回旋管的设计与研制工作,给出了谐振腔、电子光学系统与输出结构的设计参数与仿真结果,仿真结果表明该设计可获得100 kW以上的输出功率与20%以上的互作用效率。

同轴腔电子回旋微波激射器电子效率的研究

通过非线性模拟计算同轴腔电子回旋微波激射器的电子效率,结果与德国卡尔斯鲁研究中心研制的同轴腔电子回旋微波激射振荡器的实验效率比较吻合,进而通过提高初始横纵向速率比和引入坡度磁场,使器件的电子效率从26.7％提高到34.6％。这种效率放大的物理机制是:坡度磁场改变了相对论电子的运动条件,有效地改善了波束互作用过程中电子的群聚状态,从而提高了电子束的换能效率。

毫米波准光高阶模式激励器的研究与设计

基于毫米波准光模式传输和变换理论,详细研究了准光模式激励器通过波纹喇叭天线、准抛物柱面反射器和同轴开放式谐振腔激励圆极化高阶目标模式的原理。分析了W波段波纹喇叭天线产生准高斯模式HE11的过程;利用几何射线法研究了准抛物反射面天线作为腔体辐射馈源的设计方法;通过小孔耦合理论研究了侧壁开孔的三段式同轴谐振腔激励高阶模式的机理。同时,该文还优化设计了工作模式为TE62模,工作中心频率为94.8 GHz的准光模式激励器,使用三维电磁仿真软件FEKO仿真计算结果表明该模式激励器在94~96 GHz频率范围内目标模式的纯度超过95%,系统效率达到34%。

0.42THz频率连续可调同轴回旋管

作为目前工作在太赫兹频段输出功率最大的辐射源之一回旋管的功率可达到数十千瓦.传统太赫兹回旋管一般为点频工作,难以满足动态核极化核磁共振等多方面技术需要。采用机械调节的方式,实现了带宽为2 GHz中心频率为0.42 THz二次谐波频率连续可调同轴回旋管.通过非线性理论分析发现,在不改变工作磁场条件下,在调节带宽范围内,可实现大于8 kW的功率输出.

220GHz同轴腔回旋管研究

同轴谐振腔是目前有望提高电子效率的方法之一,在圆柱腔中加入内导体轴,可以使工作模附近的模谱变稀,有利于模式选择,抑制模式竞争,并有利于电子束的降压回收。通过对同轴波导进行理论研究。分析了各种参数时其的影响,并用计算机编程进行数值分析,最终得出了理论上电子效率可以达到40%以上的同轴腔体结构的结论。

内导体倾斜的内开槽同轴回旋管

同轴回旋管中不可避免发生内导体倾斜。主要研究了内导体倾斜对特征根、Q值、谐振频率、横向电场、模式竞争和电子效率的影响,并以170GHz TE31,12内开槽同轴回旋管作为实例对内导体倾斜理论进行验证。结果表明,特征根和Q值随倾角θ增大而略微增加。在0～0.5°范围内,当θ稍微增大时,电子互作用效率稍微减少。如果θ增加到1.3°,则由于模式竞争严重,且横向电场畸变严重,电子互作用效率降低到只有5%。受内导体倾斜的影响,随着θ增加,无论热腔还是冷腔,谐振频率都稍微增大。

内导体倾斜对同轴回旋管高频特性及欧姆损耗分布影响的研究

论文研究了内导体微小倾斜对品质因数Q值、谐振频率、电子效率以及欧姆损耗密度的影响,并分析了一支170 GHz兆瓦级同轴回旋管。结果表明,品质因数Q值随倾斜角θ增大而略微降低。在0°-0.5°范围内,当θ稍微增大时,电子互作用效率稍微减少。因为模式竞争,当θ大于0.5°时,电子互作用效率减少率加快。如果θ增加到1.5°,由于模式竞争加剧,电子互作用效率降低到只有4.1%。对于冷腔和热腔,随着θ增大,谐振频率都稍微减小。对于欧姆损耗密度分布,内导体倾斜改变了欧姆损耗密度在内导体的分布,形成了以倾斜的内导体为轴的对称分布。然而,倾斜内导体对外导体的欧姆损耗密度分布几乎没影响。

220GHz同轴腔回旋管的研究

同轴谐振腔是目前有望提高电子效率的方法之一,在圆柱腔中加入内导体轴,可以使工作模附近的模谱变稀有利于模式选择,抑制模式竞争,有利于电子束的降压回收。本文通过对同轴波导进行理论研究,分析了各种参数对其的影响,并用计算机编程进行数值分析,最终得出了理论上电子效率可以达到40%以上的同轴腔体结构。

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.

同轴内外开槽谐振腔磁波模式的特征根研究

同轴回旋管是目前应用于ITER计划的高功率微波源,随着频率和功率要求的提高,通常选取高阶模式来增大功率容量,但同时也带来了严重的模式竞争问题。同轴内外开槽回旋管利用内外半径比和槽参数的变化,能有效降低模式谱的密度从而能够有效抑制模式竞争。本文利用全波匹配法,推导并求解了同轴内外开槽谐振腔的特征根方程,得到了对同轴开槽结构高阶模特征根分析的更准确结果。

Study of Mode Coupling on Coaxial Resonators

A study of mode coupling phenomenon of coaxial resonators has been conducted with theories. Through establishing the source-free transmission line equation, boundary conditions of the coaxial resonators with a corrugated inner conductor are analyzed. In the end, calculations are performed in a wide range of corrugation parameters for the resonator of the Karlsruhe Institute of Technology （KIT） relevant coaxial gyrotron.

全三维110GHz和220GHz同轴腔双注回旋管数值模拟研究

为了打破传统单注回旋管只能产生较低功率的局限性,本文基于自主研发的PIC粒子模拟软件CHIPIC对110 GHz和220 GHz同轴腔双注回旋管进行全三维数值模拟研究.在理论分析同轴双电子注电子枪设计模型和初始参数的基础上通过CHIPIC对其进行优化设计,得到了具有横纵速度比为1.0,最大速度零散约为5.4%的高性能电子束;并将此优化后的双阳极双注电子枪取代传统回旋管数值模拟时采用的回旋发射进行110 GHz和220 GHz双注回旋管整管的数值模拟,并采用MPI四进程并行计算,最终获得了具有双频分别为110 GHz和220 GHz、模式为TE02模、平均输出功率约在70 kW、效率达到8.75%的高性能双注回旋振荡管.