帶狀電子束Cerenkov型高功率微波振蕩器研究.pdf

1、Cerenkov型高功率微波（HPM）振蕩器具有高功率、高效率以及適合重復(fù)頻率工作等特點，能很好的滿足工程運用的實際需要，是重頻長脈沖高功率微波源的重要類型之一。由于受到器件功率容量的限制，Cerenkov型HPM振蕩器的研究主要集中在低頻段，在更高頻段如K及Ka波段的研究較少。帶狀電子束微波源可以在不增加電流密度的前提下，通過增加電子束橫截面上寬邊的尺寸即可增大傳輸?shù)碾娏?，從而增大微波源的注入功率，同時增大了束－波作用區(qū)域和輸出結(jié)構(gòu)的

2、空間，能夠較好的解決功率容量的問題。在此背景下，本文設(shè)計了分別工作于X與K波段的兩個帶狀電子束Cerenkov型HPM振蕩器。為了提高仿真優(yōu)化工作的效率，提出了一種利用大口徑同軸Cerenkov型HPM振蕩器作為過渡模型的等效研究方法。該方法依據(jù)大口徑同軸慢波結(jié)構(gòu)與平板慢波結(jié)構(gòu)的相似性與等效性，先利用2.5維粒子模擬軟件，對大口徑同軸Cerenkov型HPM振蕩器進(jìn)行模擬優(yōu)化，以較高的工作效率獲得較好的模擬結(jié)果，然后基于該結(jié)果，利用三維

3、粒子模擬軟件再對帶狀電子束Cerenkov型HPM振蕩器進(jìn)行模擬優(yōu)化。該方法能夠有效提高帶狀電子束Cerenkov型HPM振蕩器的研究與研制效率。利用該方法，獲得的主要研究結(jié)果如下：
　　一、開展了帶狀束Cerenkov型HPM振蕩器等效研究方法的分析與驗證。先從幾何結(jié)構(gòu)和工作模式的角度，初步論述了平板慢波結(jié)構(gòu)與大口徑同軸慢波結(jié)構(gòu)的相似性；然后分析了兩種慢波結(jié)構(gòu)的色散特性，得到等效條件，如在 X波段，當(dāng)同軸慢波結(jié)構(gòu)的內(nèi)半徑大于50

4、 mm時，兩種慢波結(jié)構(gòu)的色散曲線幾乎重合，等效性較好；之后利用粒子模擬方法對該方法進(jìn)行了仿真驗證，粒子模擬結(jié)果表明，兩種模型的模擬結(jié)果符合性較好，驗證了利用大口徑同軸慢波結(jié)構(gòu)等效平板慢波結(jié)構(gòu)方法的有效性。
　　二、對X波段大口徑同軸Cerenkov型HPM振蕩器進(jìn)行了粒子模擬優(yōu)化研究。2.5維粒子模擬結(jié)果表明，在二極管電壓486 kV，電流密度1.0 kA/cm2，電子束電流43.8 kA，導(dǎo)引磁場3.0 T的條件下，獲得了飽和時

5、間為25 ns、功率為7.3 GW、頻率為11.9 GHz的微波輸出，功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到34.4％。
　　三、基于上述結(jié)果，對X波段帶狀束Cerenkov型HPM振蕩器進(jìn)行了粒子模擬優(yōu)化研究。三維粒子模擬結(jié)果表明，在二極管電壓486kV，電流密度1.0 kA/cm2，電子束電流為2.4 kA，導(dǎo)引磁場3.0 T的條件下，獲得了飽和時間為19 ns、功率為0.3 GW、頻率為11.9 GHz的微波輸出，功率轉(zhuǎn)換效率為26.1%。

6、>　　四、對K波段大口徑同軸Cerenkov型HPM振蕩器進(jìn)行了粒子模擬優(yōu)化研究。2.5維粒子模擬結(jié)果表明，在二極管電壓196 kV，電流密度1.0 kA/cm2，電子束電流21.61 kA，導(dǎo)引磁場3.0 T的條件下，獲得了飽和時間為21 ns、功率為1.65 GW、頻率為25.48 GHz的微波輸出，功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到38.8%。
　　五、基于上述結(jié)果，對K波段帶狀束Cerenkov型HPM振蕩器進(jìn)行了粒子模擬優(yōu)化研究。三維模擬

7、結(jié)果表明，在二極管電壓196 kV，電流密度1.0 kA/cm2，電子束電流600 A，導(dǎo)引磁場3.0 T的條件下，獲得了飽和時間為22 ns、功率為27 MW、頻率為25.8 GHz的微波輸出，功率轉(zhuǎn)換效率為23.3%。
　　六、對帶狀電子束及大口徑同軸Cerenkov型HPM振蕩器進(jìn)行了初步的實驗設(shè)計。利用仿真軟件設(shè)計了兩種振蕩器的導(dǎo)引磁場勵磁系統(tǒng)，能夠較好的滿足器件對磁場位形的要求。結(jié)合實驗室強流電子束加速器 TORCH-0