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双波段相对论返波振荡器的研究

作　者: 王挺
导　师: 张建德；钱宝良
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 相对论返波振荡器双波段双环形电子束横向模式纵向模式多频激励
分类号: TN752
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

相对论返波振荡器具有高功率、高效率以及适合重频运行等特点,是目前最有潜力的高功率微波产生器件之一。近年来,基于相对论返波振荡器产生多频微波的研究受到越来越多的关注,成为高功率微波技术领域一个新兴的研究方向。在此背景下,本文对两种可产生双波段微波的相对论返波振荡器—单电子束双波段相对论返波振荡器和双电子束双波段相对论返波振荡器—进行了研究,获得了对该类型器件的物理认识及器件的设计方法,并在双电子束双波段相对论返波振荡器的实验中成功获得了C波段和X波段的高功率微波辐射。论文的研究内容主要包含以下几个方面:1.研究了一种具有分段式慢波结构的单波段双频相对论返波振荡器,使其能够产生C波段和X波段的微波。采用2.5维模拟程序对该结构进行了粒子模拟研究,当工作电压为650kV、电流为5kA、导引磁场为2.2T时,单电子束双波段相对论返波振荡器产生了两个波段的微波,频率为5.48GHz和9.60GHz,总功率约为380MW;通过对简化模型的“冷腔”和“热腔”模拟得到了单电子束双波段相对论返波振荡器的设计原则;分析了两段慢波结构间的过渡段轴向长度对器件工作的影响。2.提出并设计了一种具有双电子束结构、能够产生C波段和X波段微波的相对论返波振荡器,并对其进行了物理分析。对同轴的双环形阴极在650kV电压下的静电场分布进行了模拟,结果表明,只要不发生间隙闭合,内、外环形阴极都可以始终独立地发射电子束。求解了无限长同轴盘荷波导慢波结构的“冷腔”色散特性,研究了C波段高频结构的纵向谐振特性,采用“冷腔”和“热腔”模拟相结合的方法分析了前置反射腔和功率提取腔所起的作用;求解了无限长空心盘荷波导慢波结构的“冷腔”色散特性,然后研究了X波段高频结构的纵向谐振特性,并对不同纵向模式的工作特点进行了定性的说明。3.采用2.5维模拟程序对双电子束双波段相对论返波振荡器进行了粒子模拟研究,对两个波段的高频结构进行了参数敏感度测试和尺寸优化。在优化结构中,当二极管电压为650kV、内外环形电子束流分别为5.4kA和6.4kA、导引磁场为2.2T时,两个波段微波的频率为4.625GHz和8.450GHz,功率分别为0.92GW和0.60GW,转换效率分别为21.8%和17.1%,横向模式分别为准TEM模和TM01模,纵向模式分别为类π模和4π/7模。研究了器件的结构参数、导引磁场、束参数以及微波泄漏等因素对器件工作性能的影响,给出了相应的关系曲线,并进行了讨论;对器件单个波段高频结构工作时的结构进行了粒子模拟,获得了与完整结构相一致的结果,证明了两个波段束-波相互作用过程的独立性。4.对双电子束双波段相对论返波振荡器进行了实验研究。给出了同轴双环形阴极、导引磁场、双波段微波辐射系统以及介质窗等四个部分的设计方法及设计结果;详细介绍了束参数、双波段微波功率、频率以及辐射方向图的测量方法。束参数测量结果为:当二极管电压为651kV、导引磁场为1.7T时,双环形电子束的总电流约14.9kA,内环电子束流约为6.4kA,外环形电子束流约为8.5kA。当二极管电压为657kV、总电流为14kA、导引磁场为1.7T时,器件产生了C波段和X波段的微波,频率为4.58GHz和8.30GHz,功率分别为520MW和113MW,效率分别约为9.3%和2.7%,脉宽分别为20.2ns和19.8ns,且均以TM01模向外辐射。此外,X波段还产生了频率为8.46GHz、幅度较小的频率分量。此外,给出了两个波段微波的频率和功率与导引磁场和二极管电压的关系,并进行了讨论;进行了器件单波段运行实验,产生的微波频率和辐射方向图与完整结构结果一致,证明了两个波段束-波相互作用过程的独立性。为抑制X波段结构中存在的多频激励,本文对结构进行了改进,典型实验结果为:当导引磁场为1.7T、二极管电压为650kV时,器件产生了近似单频的X波段微波,频率为8.30GHz,功率为206MW,C波段微波的频率为4.58GHz,功率为866MW。改进结构使X波段产生明显的多频激励的临界电压位于739kV和789kV之间,增大内环形电子束流后临界电压降至694kV和728kV之间。5.为了使结构更为简洁,设计了新型的X波段高频结构,并进行了粒子模拟和初步的实验研究。粒子模拟结果为:当导引磁场为2.7T、二极管电压为645kV、内外环形电子束流分别为5.5kA和6.4kA时,两个波段微波的频率分别为4.625GHz和8.750GHz,功率分别为0.93GW和0.71GW,转换效率分别为22.5%和20.0%。初步实验结果为:当导引磁场为2.7T、二极管电压为650kV时,器件产生了两个波段的微波,频率为4.58GHz和8.76GHz,且在494kV～650kV的电压变化范围内X波段微波没有观察到明显的多频激励。

全文目录

摘要  12-14
Abstract  14-17
第一章绪论  17-26
  1.1 高功率微波及高功率微波源  17-18
  1.2 多频高功率微波源研究现状  18-22
    1.2.1 RBWO  18-21
    1.2.2 MILO  21-22
  1.3 双波段RBWO的两种实现方案  22-24
    1.3.1 单电子束双波段RBWO  22-23
    1.3.2 双电子束双波段RBWO  23-24
  1.4 本论文研究意义及主要研究内容  24-26
    1.4.1 研究意义  24
    1.4.2 主要研究内容  24-26
第二章单电子束双波段RBWO粒子模拟研究  26-35
  2.1 粒子模拟方法简介  27
  2.2 单电子束双波段RBWO粒子模拟结果  27-29
  2.3 单电子束双波段RBWO设计物理基础  29-31
  2.4 过渡段轴向长度对单电子束双波段RBWO的影响  31-33
  2.5 单电子束双波段RBWO的特点  33
  2.6 本章总结  33-35
第三章双电子束双波段RBWO的结构设计与物理分析  35-54
  3.1 同轴双环形阴极  36-37
  3.2 C波段高频结构的设计与特性分析  37-48
    3.2.1 同轴盘荷波导慢波结构的色散特性  37-43
    3.2.2 C波段高频结构设计  43
    3.2.3 前置反射腔的作用  43-45
    3.2.4 功率提取腔的作用  45-46
    3.2.5 横向模式选择与纵向模式选择  46-48
  3.3 X波段高频结构的设计与特性分析  48-52
    3.3.1 空心盘荷波导慢波结构的色散特性  48-50
    3.3.2 X波段高频结构设计  50-51
    3.3.3 横向模式选择与纵向模式选择  51-52
  3.4 本章总结  52-54
第四章双电子束双波段RBWO粒子模拟研究  54-73
  4.1 基本模型和物理图像  54-60
    4.1.1 电子束群聚  55-56
    4.1.2 微波功率和频谱  56-57
    4.1.3 两个波段微波的模式  57-60
      4.1.3.1 C波段微波的横向模式与纵向模式  57-58
      4.1.3.2 X波段微波的横向模式与纵向模式  58-60
  4.2 两个波段束-波相互作用过程的独立性分析  60-61
  4.3 影响器件性能的主要因素  61-70
    4.3.1 结构参数  61-63
    4.3.2 导引磁场  63-64
    4.3.3 束参数  64-66
      4.3.3.1 二极管电压  64-65
      4.3.3.2 电子束流  65-66
    4.3.4 微波泄漏  66-70
  4.4 对实验结果的预测  70-71
  4.5 本章总结  71-73
第五章双电子束双波段RBWO的实验研究  73-103
  5.1 实验设计  73-82
    5.1.1 同轴双环形阴极  73-74
    5.1.2 导引磁场  74-78
    5.1.3 双波段微波辐射系统  78-82
      5.1.3.1 支撑环设计  79-80
      5.1.3.2 辐射系统  80-82
    5.1.4 介质窗  82
  5.2 实验系统及参数测量方法  82-88
    5.2.1 实验系统  82-84
    5.2.2 参数测量方法  84-88
      5.2.2.1 二极管电压和电子束流诊断  84-85
      5.2.2.2 微波测量  85-88
  5.3 实验结果  88-94
    5.3.1 二极管电压及电子束流  88-89
    5.3.2 微波频率  89-92
    5.3.3 微波功率及脉宽  92-93
    5.3.4 辐射方向图  93
    5.3.5 两个波段束-波相互作用过程的独立性验证  93-94
  5.4 参数依赖关系  94-98
    5.4.1 导引磁场  94-96
    5.4.2 二极管电压  96-98
  5.5 改进结构实验结果  98-101
  5.6 本章总结  101-103
第六章改进型双电子束双波段RBWO粒子模拟与实验研究  103-109
  6.1 粒子模拟结果  103-105
  6.2 影响器件性能的主要因素  105-106
    6.2.1 结构参数  105
    6.2.2 导引磁场  105-106
    6.2.3 二极管电压  106
  6.3 初步实验结果  106-107
  6.4 本章总结  107-109
第七章总结与展望  109-115
  7.1 主要工作与结果  109-113
  7.2 主要创新点  113
  7.3 今后工作展望  113-115
致谢  115-117
参考文献  117-126
作者在学期间取得的学术成果  126

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