带有反射腔的相对论返波管的数值模拟

阐述了带有反射腔的相对论返波管的数值模拟研究。利用线性理论 [1]设计了返波管的慢波结构 ,应用 SUPERFISH软件设计了谐振反射器。用 KARAT软件对谐振反射腔返波管进行了宏观粒子模拟 ,得到了优化的返波管结构参数 ,并研究了外加磁场对输出效率的影响。模拟结果表明 :谐振反射腔不仅起到截止颈的作用 ,还有预调制的作用 ;在低外加磁场条件下 ,该返波管也能输出较高功率的微波。

相对论返波管慢波结构的起始端设计

对相对论返波管的慢波结构中横磁模-TM01模的空间谐波系数进行了理论计算。理论上证明采用所述的4种方法构造的有限长度的慢波结构谐振腔,其一些电动力学特性可以等效为无限长结构的特性。根据慢波结构内场分布的特点和计算机数值模拟结果,提出为了提高相对论返波管的转换效率,一般选择慢波结构的起始端从波纹最深处开始。

超辐射机制相对论返波管的数值计算

运用相对论返波管非线性理论,推导出描述相对论返波管束波互作用的非线性自洽方程组;数值求解了该非线性自洽方程组,揭示了相对论返波管中由非稳态束波互作用产生的超辐射现象的基本规律:输出超辐射波峰值功率大约与参与互作用电子总电荷量的平方成正比。并将超辐射和由稳态束波互作用所产生的受激辐射作了相关比较,结果表明:超辐射是短电子束脉冲产生非稳态束波互作用的结果,而受激辐射是长电子束脉冲产生稳态束波互作用的结果;不断增加电子束脉冲宽度,辐射机制由超辐射转变为受激辐射。

非磁化等离子体填充的相对论返波管的粒子模拟

对非磁化等离子体填充的相对论返波管进行了粒子模拟分析 ,结果表明在一定的等离子密度范围内 ,观察到电子注的良好传输 ,得到了高功率电磁波输出。等离子体密度变化过程中 ,输出存在有峰值功率点。通过粒子模拟清晰地观察到注、等离子体及波相互作用的物理过程 ,并且模拟结果解释了部分实验现象。

变阻抗相对论返波管的粒子模拟研究

设计了一种Ｘ波段耦合阻抗单阶跃变型相对论返波管结构，运用２．５维全电磁粒子程序模拟分析了器件中注波互作用过程，仿真了器件效率与电子注参数的依赖关系，得到了器件在５００ｋＶ、５．５ｋＡ电子注驱动下，能辐射出峰值功率８００ＭＷ、频率为（９．１６±０．０３）ＧＨｚ的微波，工作模式为ＴＭ_０１，效率为３０％。在截止波导与慢波结构之间设置一段长度合适的光滑漂移段，通过改善正向波基波对电子注的初始调制效果，优化效率可达到３８％。

低引导磁场相对论返波管振荡器设计

从线性化的Vlasov方程出发,研究了相对论返波管中产生的微波功率与磁场的关系,给出了低引导磁场相对论返波管振荡器的设计准则;设计了一个高效率的高功率返波管振荡器,通过采用过模的分段、非均匀慢波结构,实现器件的高效率、高功率运行,同时通过在慢波结构末端添加部分反射腔来降低引导磁场强度。当引导磁场强度为0.6 T、电子能量和束流分别为800 keV和7.6 kA时,采用2.5维Particle in Cell(PIC)程序模拟得到频率为9.6 GHz、功率为1.85 GW的微波输出。

X波段低磁场相对论返波管振荡器实验研究

基于现有永磁磁体的参数,并结合高功率微波器件的优点,设计了一个X波段低磁场相对论返波管振荡器,当引导磁场强度为0.48T、二极管束压和束流分别为530 k V和7.0 k A时,通过粒子模拟软件得到频率9.42GHz、功率1.11GW的模拟微波输出,器件束波转换效率30%。在强流电子束加速器平台上进行实验研究,当二极管电压500k V、电流6.2k A、引导磁场强度0.46T时,得到频率为9.40GHz、功率为900MW、脉宽为32ns的微波输出。该实验结果为低磁场器件实现高功率、高效率微波输出及永磁包装打下了良好的基础。

0.3TKu波段返波管的低磁场特性研究

为了实现相对论返波管振荡器(RBWO)永磁包装,本文采用Magic模拟软件在0.5T低磁场相对论返波管(RBWO)器件结构基础上,通过在器件慢波结构末端添加一个部分反射腔,减小电子束质量对束波转换影响,即减小引导磁场的影响,实现了Ku波段相对论返波管振荡器0.3T磁场下运行.当电子束束压600k V、电子束束流7k A时,模拟得到器件输出微波功率740MW,效率18%.尽管该器件的效率低于0.5T磁场下的效率(25%),然而0.3T引导磁场在工程上更容易实现.结合小型化的脉冲功率源进行实验研究,当二极管束压580k V、束流6.5k A,实验获得功率600MW,频率13.10GHz,脉宽25ns的微波输出,该器件的研制可以促进高功率微波(HPM)系统小型化的发展.

一种GW级3.2cm相对论返波管振荡器的数值模拟

提出了一种3.2cm的相对论返波管振荡器,并利用2.5维粒子模拟软件KARAT研究了引导磁场强度、电子能量、电子束环平均半径、电子束环厚度对输出微波的影响。最后,在电子束为环形电子束(电子束束环平均半径为0.95cm,束环厚度为1mm)、电子束束压为900kV、电子束束流为6.7kA、引导磁场为3.2T时,得到了1.2GW的微波输出。

相对论返波振荡器超导磁体的研制（英文）

一台相对论返波振荡器匀场超导磁体现已完成设计、制造和测试,磁体室温孔径为30mm、中心场为5.51T.为了提高磁场的均匀性,设计的磁体由3个同轴线圈组成.所有的超导线圈串联运行,并由1台电源供电.磁体轴向从-30mm至30mm处磁场均匀性优于±0.5%.磁体可以通过超导开关进行闭环运行.此外,利用一对高温超导电流引线和两级GM制冷机(4.2K@1.5 W)可以实现超导磁体的零液氦蒸发.这里给出了该超导磁体的设计、制造、力学分析,并给出了磁体的测试结果.

5.5T零蒸发密绕超导磁体系统研制

介绍一种内孔直径达30mm、中心场强达5. 51T的密绕超导磁体系统的设计与研制,用于相对反波振荡器的运行。基于磁场均匀度的考虑,该磁体由三个同轴线圈组成。三个线圈由一个电源串联供电。整个磁体均匀度在轴向方向优于±0. 5%。此外,运用一对HTS超导引线和二级G-M制冷剂(1. 5W@4. 2K)实现整个系统的液氦零蒸发。