百兆瓦级高功率速调管电子光学系统的研究

基于强流电子光学理论确定了S波段100MW速调管电子枪初始参数,对电子枪电极进行优化,获得了导流系数2.0μA.V-3/2、枪内场强低于22kV.mm-1、层流性良好的电子枪。设计了均匀磁场电子注聚焦系统,通过对过渡区磁场的调整,实现了对电子注的良好聚焦,模拟表明电子注填充因子约76%,通过率100%且波动较小。样管的热测实验结果与设计取得了良好的一致性。

TM_(11)模对高功率盒形窗次级电子倍增效应影响的研究

本文对S波段盒形窗内TE11模和TM11模两个模式存在下的次级电子倍增效应进行了分析,证明了TM11的存在会影响盒形窗次级电子倍增的阈值,通过对比双面法向谐振倍增(法向电场激励)和单面切向倍增(切向电场激励)两种倍增方式,证明了TM11模法向场的存在改变了窗片表面次级电子倍增的轨迹,使次级电子倍增的电场阈值上限降低,且该现象是由倍增初期的窗片表面的双面谐振所致。

散裂中子源的高频系统和高功率微波器件

散裂中子源是利用高能质子束产生中子束的大科学装置。它在核物理研究、生产同位素和处理核燃料等方面有广泛应用。高功率微波器件是驱动散裂中子源的质子直线加速器的核心电子器件。本文介绍了美国、英国和日本已建成的散裂中子源的高频系统和采用的P波段高功率速调管,介绍了正在建设的中国散裂中子源CSNS和欧洲散裂中子源ESS的高频系统和采用的高功率微波器件。论文还讨论了P波段多注速调管和多注感应输出管的主要特点,以及采用这些新型高功率微波器件替代P波段大功率速调管的可能性。

W波段高频输出窗仿真与实验研究

研究了W波段高频输出窗的工作特性及三个关键结构尺寸对工作特性的影响规律。结果表明,驻波比小于1.2的频带为94.21~94.76 GHz;驻波比小于1.1的频带为94.34~94.64 GHz;工作频带内无谐振模式;窗片厚度对工作特性影响最大。热力学分析显示,温度最高点和应力最大点分别位于陶瓷窗片中心和边缘;最高温度和最大应力分别为117℃和144MPa。研制并测试了W波段高频输出窗。测试结果表明,驻波比小于1.2的频带为94.13~94.60 GHz,驻波比最小值为1.06,对应的频率为94.40GHz。

1.5MW高功率连续波PSM电源研制

为了测试新型高功率速调管,开展了高功率连续波脉冲步迹调制(PSM)高压电源的研制工作。介绍了电源系统的主要指标和工作原理,对电源核心部件多绕组变压器进行了建模仿真并对其分布电容储能情况进行了分析,阐述了PSM模块的设计方法和电源控制系统及其控制策略等关键技术问题。描述了速调管快速保护电路的设计和功能,结合熔丝短路试验对保护效果进行了评估。在额定负载条件下,测试了电源输出特性并给出了有关波形,电源输出达到75 k V/20 A,电压纹波<1%,打火保护速度<10μs。试验证明该电源设计合理可靠、运行稳定,可以用于速调管测试。

集成化真空电子器件的发展与关键技术研究

集成化真空电子器件借鉴了集成电路的概念,通过采用高精度平面高频系统,微加工和微组装技术,发展出结构紧凑、一致性好、频带宽和大功率亚毫米波和太赫兹辐射源,有效地解决了传统真空电子学向高频段发展时的基础科学问题和瓶颈技术,已成为真空电子学领域重点开展的新研究方向。本文给出了国际上最近开展的集成化真空电子器件的研究工作,分析了开展集成化真空电子器件研究需要重点解决理论与机理、仿真与设计,以及加工与装配等关键技术的新思路和新方法,对我国开展这类具有重要应用潜力的新型器件的研究具有重要的借鉴意义。

X波段50MW高功率速调管注波互作用系统的研究

高功率X波段速调管必须依靠高性能的注波互作用段来实现,互作用段的作用是使入射的连续电子注逐步转化为分离的群聚块,之后在通过输出腔的过程中,间隙电场使群聚块减速将电子的动能转化为微波能量向外输出。速调管的注波互作用段由一组性能参数各不相同的谐振腔组成,各腔的谐振频率、品质因数、特性阻抗以及沿轴线的分布位置等均对整管的效率、增益和输出功率有直接的影响。我们首先使用基于圆环模型的2.5维注波互作用程序通过反复优化找到了一组基本参数,随后在CST中建立了三维仿真模型对该结构进行了验算,实际计算表明在电子注电压和电流分别为440kV和350A时,速调管的输出功率大于50MW,所得结果满足设计要求。

超大尺寸人造大理石微波快速固化技术研究

人造大理石以不饱和聚酯树脂为粘结剂,以碳酸盐类石材(大理石、石灰石等)碎料、粉体为主要填料。人造大理石生产过程中固化时间长(通常10~15天)是整个行业面临的瓶颈问题。本文提出了采用P波段915 MHz频率的微波实现超大尺寸人造大理石(3.2m×1.6m×0.95m)快速固化的方法,分别介绍了微波固化实验样机的研制及初试结果,以及工程样机的研制及中试结果。工程样机最大功率150kW,已投入试生产,完成近3000颗超大尺寸人造大理石荒料的微波固化处理,工作稳定、可靠、安全。微波固化时间由自然固化的10~15天大幅缩至1h以内,微波固化后人造大理石产品质量满足行业标准要求,光泽度、均匀性、线性热膨胀系数等关键指标得到有效改善。

速调管中二次电子引起的杂谱和高频包络塌肩研究

描述了一个宽带多注速调管研制过程中出现的杂谱和高频包络塌肩现象,分析这些现象是由谐振腔二次电子谐振和二次电子内反馈引起的,本文根据消除二次电子谐振的方法提出了消除或抑制杂谱和高频包络塌肩的方法。文章中提出的方法已经被应用在速调管设计中,并经热测试验验证行之有效。

大功率高效率双频段毫米波行波管螺旋慢波线的研究

与以往大功率高效率空间行波管不同,大功率双频段行波管的高效率覆盖了Ka和Q两个频段。本文设计了同时满足Ka波段和Q波段的高频电路,并利用三维有限元仿真软件MTSS仿真了双频段Ka波段和Q波段的高频特性。在计算注波互作用时,分析了传统螺距分布结构出现返波振荡的原因,在此基础上提出了一种可以抑制返波振荡的螺旋慢波结构,同时为改善行波管的非线性失真,在输出段的相位降低段增加了渐变结构,初步开展了双频段行波管的非线性失真研究的工作。

梯形结构高功率扩展互作用速调管

对平面梯形结构多间隙谐振腔的模式分布、特性阻抗、耦合系数以及工作稳定性进行了研究.在此基础上给出了W波段高峰值功率扩展互作用速调管高频互作用系统设计,并采用三维粒子模拟(PIC)技术对电子的速度调制、群聚及其与高频场的相互作用和能量转换等物理过程进行了研究,定量给出了放大器的功率、带宽、效率以及增益等关键技术指标.PIC结果显示:在中心频率94.52 GHz以及电压16 k V、电流0.6 A的电子注参数下,最大输出功率达到1.8 k W,相应的增益和电子效率分别为47.7 d B和19.4%;扫频结果显示瞬时3 d B带宽为210 MHz.

星载行波管高效率、高可靠阴极热子组件研究

阴极热子组件是星载行波管的核心部件,其性能的好坏直接影响到整管的性能和寿命。由于星载行波管工作环境特殊,要求在保证阴极正常工作的前提下,尽可能地降低阴极热子组件的加热功率以提高阴极热子组件可靠性、延长阴极热子组件寿命,同时阴极热子组件必须具有良好的抗振性能。本文利用ANSYS有限元软件对某星载脉冲行波管栅控电子枪阴极热子组件进行了热学和结构动力学性能分析和研究,通过优化阴极热子组件支撑结构和尺寸,降低了它的加热功率,并进行了热学实验验证;同时为了保证其力学可靠性,分析了阴极热子组件在随机振动条件下的力学性能。研究结果表明,新阴极热子组件结构加热功率由10.50 W降低至8.21 W,轴向尺寸缩短了45.4%,满足某星载行波管小型化的需求,结构同时符合抗机械振动性能的要求。

高次模多注速调管同轴输出腔性能改进的研究

该文针对工作在TM310模的多注速调管同轴输出腔中工作模式的场分布均匀性、外观品质因数及其与邻近模式的频率间隔等问题进行了研究,提出了一种带有短路杆和金属环的多注速调管同轴输出腔结构。分析发现,适当设置短路杆和金属环不仅可以使外观品质因数降低,还可以改善工作模式的场分布;而且设置金属环还可以增大TM310模和邻近模式的频率间隔以实现抑制杂模。利用仿真软件对X波段的同轴输出腔进行了模拟计算,计算结果与理论分析一致。在此基础上加工了冷测模型,测试结果表明TM310模与邻近模式的频率间隔均达到了1.2 GHz以上,外观品质因数从507.4降至193.5,工作模式的场分布也变得均匀。

高效率、高可靠阴极热子组件结构开槽方案研究

阴极热子组件作为星载行波管的电子注源,要求它具备优良的热、力特性,以满足星载行波管高效率、高可靠、长寿命的需求。本文利用ANSYS有限元软件对星载行波管阴极热子组件结构进行了热模拟,并完成了热测实验,实验结果表明,阴极温度计算精度在5%以内,结构整体的温度计算误差在72℃以内,验证了热模型的可靠性。进一步的,理论研究并数值模拟了阴极支持筒开槽方案及关键开槽参量对结构热效率和力学可靠性的影响,提出了开槽方案的设计方法。最后,对现结构开槽方案进行了优化设计,模拟结果表明,优化后的阴极热子组件结构热效率提高了15.2%,同时结构满足力学试验的要求。

浸没流多透镜多注电子光学系统的模拟研究

该文采用先2维后3维的计算方法,对L波段高峰值功率多注速调管电子光学系统进行了模拟设计。采用均匀场浸没流多透镜聚焦系统对电子注进行聚焦,获得了通过率100%,填充因子55%,特性良好的旁轴电子注。模拟计算表明,多透镜系统可有效调整电子注平衡半径,电子枪区均匀场可有效调整电子注波动性及层流性,聚集系统可在阴极磁感应强度为0.001～0.01T,主磁场为0.06～0.13T的范围内实现对旁轴电子注的良好聚焦。

高功率多注速调管TM_(310)模圆柱形谐振腔杂模抑制方法

该文针对TM310模(主模)圆柱形谐振腔提出了一种新的杂模抑制方法。为抑制与主模相邻的低次杂模TM020,采用在谐振腔中放置接收振子天线的方法,并推导了放入接收振子天线后,模式频率变化量的表达式。由此发现:模式频率变化量仅依赖于该模式在接收振子天线处的电场强度,而与其磁场无关;通过适当调整接收振子的位置,可使主模和TM020模具有不同的频率变化量,从而能增大模式之间的频率间隔,避免TM020模对主模的干扰。另外,为抑制与主模相邻的杂模TM+310,采用了在谐振腔中放置短路杆阵的方法。利用CST-MWS软件对X波段此类谐振腔进行了模拟计算,验证了该方法的有效性。

具有渐变波导的W波段输出窗仿真与实验研究

设计了一种具有矩形波导-圆波导渐变波导的盒型输出窗,模拟分析了其驻波比（VSWR）特性和谐振模式分布情况,研究了该输出窗的介质窗片厚度、介质窗片直径、圆波导长度和渐变波导长度结构尺寸对VSWR特性的影响规律。结果显示,介质窗片厚度对VSWR的影响最显著。热力学分析表明,当传输1 kW功率时,该输出窗的最高温度为60.6℃,最大应力仅为35 MPa。研制并实验测试了该W波段输出窗一支,结果表明,其驻波比-频率曲线分布规律与模拟结果一致,93～97GHz频带内的VSWR小于1.38,S（21）大于-0.1 dB。

高峰值功率多注速调管的发展

高峰值功率多注速调管是一种新型的微波电真空器件,其广阔的应用前景已受到人们的高度关注。本文详细介绍了国际上已经研制成功和正在研制的几种高峰值功率多注速调管的情况,给出了这些速调管的具体参数,讨论了这些速调管在研制过程中需要解决的关键技术问题。

S波段高功率窗型水负载的设计

磁控管是一种输出功率大、效率高，而成本较低的微波真空电子器件，广泛应用于雷达、电子对抗、工业加热等电子系统。其中，工作在s波段2450MHz频率的连续波磁控管最大输出功率30kW，广泛应用于工业加热系统。为了满足s波段磁控管大功率微波测试的需求，本文设计了一种新的s波段50kW大功率窗型水负载。该水负载采用高密度A1zOs陶瓷片作为微波辐射窗，具有功率容量大、频带宽、体积小、重量轻、结构紧凑等优点，既可用于磁控管、速调管等微波真空电子器件的大功率测试，也可作为微波电子系统中传输功率或反射功率的吸收匹配负载。仿真计算结果表明，S波段水负载在2200～2900MHz频率范围内电压驻波比小于1．15，在2450±50MHz频率范围内电压驻波比小于1．06，在2860±50MHz频率范围内电压驻波比小于1．05。

微波管电子枪真空除气系统设计

在微波管研制过程中,电子枪真空除气过程的主要作用是对阴极进行加热,获得灯丝电流电压与温度的关系曲线、检验电子枪正常工作时灯丝的电流电压,测试电子枪快速启动参数,测量阴极、聚束极热膨胀量和阴极高温时电子枪材料充分预蒸散从而减少电子枪的蒸散物。根据微波管电子枪结构特点和性能要求,设计和开发了极限真空度2×10^(-7)Pa且具有温度、膨胀量等性能测试功能的双工位电子枪真空除气系统。除气系统由直联泵作为前级泵、分子泵和离子泵为主泵构成超高真空系统,采用阀门的切换可实现两工位在超高真空度下同时工作且互不干扰,有效提升了电子枪的品质,缩短了研制进度。每个工位均配置"分子泵启动允许"、"离子泵启动允许"、"分解电源开允许"及"真空异常"指示灯,防止误操作对电子枪部件或除气系统带来损坏。测试结果表明微波管电子枪真空除气系统的工作原理、结构设计合理,性能优良,适用于不同型号微波管电子枪,在电子枪研制生产过程中发挥了重要的作用。