大间隙C波段三轴速调管束流调制模拟研究

利用SUPERFISH软件设计了一种兼具大间隙速调管及三轴速调管优势的C波段大间隙三轴速调管,对所设计大间隙三轴速调管的束流传输及调制情况进行了2维粒子模拟研究。模拟结果表明,三轴速调管设计需要特别关注"模式泄露"问题以及谨慎选择内导体接地支撑杆的位置,以获得稳定传输的电子束。综合考虑上述两个条件,在440 kV的二极管电压下,5.0 GHz,200 MW的强注入功率可以获得11.8 kA的基频调制积分电流,束流调制深度88%,调制电流峰峰值大于40 kA,且调制电流具有良好的频率及相位稳定性。在此基础上,初步模拟得到了大于2.0 GW的平均微波功率,平均效率约33.8%。

电子束收集极对大间隙速调管输出腔效率的影响

利用高频电磁软件对带电子束收集极的S波段大间隙输出腔进行了高频特性分析,采用3维PIC程序模拟了电子束收集极对大间隙速调管输出效率的影响。研究结果表明:收集极的存在会改变输出腔的本征谐振频率和电子束路径上的特性阻抗等高频特性,但收集极可以短路间隙附近的径向电场,减小电子束的空间电荷压力,同时对群聚电子进行再加速,从而提高大间隙速调管的输出效率;在束电压700kV,直流电流6kA时,优化后的带收集极的大间隙输出腔可稳定提取大于1.68GW的微波功率,提取效率约40.1%,比无收集极时提高约5%。

相对论返波管驱动的两腔大间隙速调管放大器

在大型功率合成阵列中,为解决现有种子源输出功率不足的问题,提出了利用相对论返波振荡器作为种子源锁定大间隙速调管放大器频率和相位的思路,并进行了由一个相对论返波管驱动一个高功率注入两腔大间隙速调管放大器的理论和初步实验研究。实验结果表明:大间隙速调管的频率被相对论返波管锁定,两个微波源的实时相位差在单脉冲内锁定在±16°之内,多脉冲间的相对相位差锁定在±11°之内,锁相时间约40ns;在注入功率约22MW时,大间隙速调管的输出功率约230MW,增益约10dB。

大间隙速调管输出腔支撑杆的3维设计

利用3维高频软件对大间隙速调管输出腔及其同轴提取波导金属支撑杆进行了高频分析,建立了带双排金属支撑杆的大间隙输出腔3维结构模型,采用3维PIC程序对该输出腔的提取效果进行了粒子模拟。研究结果表明:作为输出腔同轴提取波导支撑的第二排支撑杆,和兼作输出腔腔壁的第一排支撑杆,都会影响输出腔的高频谐振特性,因此必须结合大间隙输出腔进行一体化设计;此时同轴提取波导支撑杆设计的基本原则不以追求最高的TEM模式传输效率为目的,而是通过控制双排支撑杆的散射特性,得到合适的外部品质因数和间隙电场强度。在注入电功率约2.9GW,束流调制深度90%时,设计的带双排支撑杆的3.6GHz大间隙输出腔结构,可提取约1.06GW的平均功率,效率约36.5%。

感性加载宽间隙腔相对论速调管的粒子模拟

通过粒子模拟的方法研究了三腔结构的感性加载宽间隙腔相对论速调管放大器,分析了宽间隙腔中垫圈/杆等参数对于束流调制的影响。模拟结果表明:感性加载的宽间隙腔能够克服宽腔所带来的势垒效应,增加电子束与腔的作用时间,提高束流调制和能量提取的效率。模拟中采用500 keV,6 kA的电子束,经过两腔调制得到了约4.5 kA的调制电流,调制深度接近80%;采用渐变结构的输出腔,得到功率约1.2 GW,频率2.86 GHz,效率为40%的输出微波。

大间隙速调管放大器中二极管寄生振荡及其抑制

利用三维高频电磁软件和三维粒子模拟软件,对大间隙强流相对论速调管放大器中的二极管寄生振荡机制进行了模拟研究,发现由于6.18GHz频点的高阶TM31模式在二极管区截止,故形成了谐振腔结构,进而对电子束产生强烈的调制,干扰了速调管的正常工作。结合模拟结果,提出了优化和改进措施。粒子模拟结果表明:二极管结构改进后,寄生振荡消失,束流调制效果得到显著改善。

中功率宽带多注速调管的研制进展

介绍了Ku波段中功率宽带多注速调管的最新研制进展情况,该管实现了工作电压14 kV、带宽大于1.8%、脉冲功率大于20 kW的指标。文中给出该管的试验数据,并对其中的关键技术进行了分析。

多重电子超越现象对高功率注入大间隙速调管中束流群聚特性的影响

当注入功率较高时,大间隙速调管输入腔的基频电流分布中,除常规意义上的最佳群聚电流峰值(第一峰值电流)外,出现了与第一峰值电流幅值相当的第二峰值电流.结合群聚理论和粒子模拟结果,研究和讨论了第二峰值电流产生的机理.研究结果表明,第二峰值电流的出现由高电压调制系数下出现的多重电子超越效应造成.当二极管电压600kV,束流5kA,工作频率3.6GHz时,利用多重超越效应可在保持最佳群聚距离基本不变的前提下,把大间隙速调管的束流群聚深度由80%提高到92%,群聚束流的基频功率也从2.2GW提高到2.8GW,增幅约27%.

金属膜片和回流杆结构对大间隙速调管谐振腔高频特性的影响

利用模拟软件和数值计算方法,对感性加载大间隙速调管谐振腔的高频特性进行了分析,结果表明:增加膜片数量对减弱间隙空间效应的贡献有限,而一旦加载感性回流支撑杆,即使只填充4个膜片,已能基本消除空间电荷效应;由于回流杆的电感和谐振腔的固有电感可比较,导致谐振频率相对提高达9%;与对谐振频率的影响相比,回流杆尺寸对谐振腔电场分布的影响要小得多;而对于经过频率优化的谐振腔,回流杆尺寸对放大器工作特性的影响基本可以忽略.应用以上结论设计出的感性加载大间隙速调管放大器,能稳定提取约1.13GW的微波功率,功率效率约38%.