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新型高功率径向速调管振荡器探索

作　者: 李少甫
导　师: 杜祥琬；丁武
学　校: 中国工程物理研究院北京研究生部
专　业: 核技术及应用
关键词: 径向速调管振荡器折叠式谐振腔虚阴极开放式同轴折叠式谐振腔 PIC数值模拟径向反射速调管振荡器非线性
分类号: TN752
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

本文对几种新型高功率径向速调管振荡器进行了探索性研究。它们是折叠式谐振腔径向速调管振荡器，高功率虚阴极径向反射速调管振荡器，开放式同轴折叠式谐振腔径向反射速调管振荡器。同时对径向电子束与径向微波电场相互作用的机理进行了深入的分析和研究。用径向二极管一维模型分析了电子束在径向二极管内的运动，和几种二极管结构：嵌入式发射面径向二极管结构，两端馈电二极管结构，椎形二极管结构。研究了径向电子束与径向间隙内，径向二极管间隙内，径向反射速调管内的微波电场的相互作用过程。分析了微波电场对径向电子束的线性和非线性调制，谐振腔内微波的增长时间。对于在电流临近空间电荷限制电流和大信号时，径向电子束与径向间隙内微波电场的非线性相互作用过程进行了初步的研究。研究了折叠式谐振腔径向速调管振荡器，与单间隙同轴腔相比，它起振电流小。第二个特点是单间隙同轴腔的径向尺寸比折叠式谐振腔径向尺寸大。与双平面间隙腔相比，折叠式谐振腔具有柱面大，空间电荷效应小的特点。它不需要引导磁场。用一维模型对折叠式谐振腔径向速调管振荡器进行了理论研究，分析了结构器件参数对束波相互作用的影响。在折叠式谐振腔径向速调管振荡器中电子束与微波相互作用经历了线性段微波增长，非线性段微波增长，当微波电压超过阈值电压时，电子束受到100％深度的调制的几个阶段。由于电子束在同一个腔内受到了100％深度的调制，可以直接加微波提取腔进行微波提取。然后用二维半PIC程序对它进行数值模拟研究。典型结果为：当电流为20.5kA，电压为530kV时，饱和时间约为35ns，其输出微波峰值功率为1.8GW，输出微波频率为1.52GHz。通过改进结构和优化，在电压幅度为380kV，电流为38kA。得到微波输出峰值功率约为6GW，微波上升时间为40ns，频率为1.6GHz，微波产生效率得到较大提高，达到41％。4中国工程物理研究院博士学位论文李少甫研究了一种新型的高功率虚阴极径向反射速调管振荡器，它结合了虚阴极振荡器容易起振，和速调管微波产生效率较高的特点。利用虚阴极反射电子束对调制腔的正反馈，可以减小起振电流和起振时间，而且提高了微波产生效率。它是一种结构简单，紧凑，不需要引导磁场的器件。建立了虚阴极径向反射速调管振荡器一维理论模型，研究了结构器件参数对束波相互作用的影响。分析了电子束在径向反射腔中形成虚阴极的过程和虚阴极对电子束的调制作用。然后对这种器件进行了数值模拟研究，得到的典型结果为:输入电压620KV，输入直流功率IO.SGW，输出微波峰值功率为2.SGW，虚阴极振荡频率被锁定，频率为1.25GHz，微波饱和时间小于sns。束波转换效率约为23.8%。提出了开放式同轴折叠式谐振腔径向反射速调管振荡器。它的特点是产生电子束的二极管和反射速调管的反射腔，调制腔都集成在开放式同轴折叠式谐振腔内，结构简单紧凑。径向强流电子束在径向反射场中会形成虚阴极振荡，单独的虚阴极振荡产生的微波效率低。利用虚阴极振荡对径向二极管中的电流进行调制，构成了一种较高效率的径向虚阴极反射速调管振荡器。它的特点是，起振电流小，起振时间短，产生微波效率高.结构简单紧凑，不需要引导磁场。研究了结构器件参数对束波相互作用的影响。然后对这种器件进行了数值模拟研究，得到的典型结果为:输入电压625KV，输入直流功率18GW，输出微波峰值功率为2.SGW，虚阴极振荡频率被锁定，微波饱和时间小于sns，频率为1.3GHz。

全文目录

摘要  5-9
第一章引言  9-17
  1.1 研究背景  9-12
  1.2 径向速调管器件研究现状  12-14
  1.3 本论文的研究内容和主要贡献  14-17
    1.3.1 本论文的主要工作  14
    1.3.2 本论文的主要创新点  14-17
第二章折叠式谐振腔径向速调管振荡器  17-52
  2.1 折叠式谐振腔内微波频率  17-21
  2.2 电子与电磁场的能量交换和起振电流  21-23
    2.2.1 电子与电磁场的能量交换  21-22
    2.2.2 起振电流  22-23
  2.3 折叠式谐振腔对电子束的线性调制过程  23-32
    2.3.1 折叠式谐振腔径向速调管振荡器等效电路模型  24-25
    2.3.2 一维束波相互作用小信号模型  25-30
    2.3.3 折叠式谐振腔内线性段微波场能量上升时间  30-32
  2.4 在空间限制电流附近电子束受到的非线性调制  32-37
  2.5 径向电子束的获得  37-42
    2.5.1 径向二极管内的电子运动轨迹  37-40
    2.5.2 径向二极管设计  40-42
  2.6 折叠式谐振腔径向速调管振荡器数值模拟  42-50
    2.6.1 折叠式谐振腔径向速调管振荡器结构  43-44
    2.6.2 折叠式谐振腔径向速调管振荡器数值模拟结果  44-47
    2.6.3 对折叠式谐振腔径向速调管振荡器的优化  47-50
  2.7 总结  50-52
第三章虚阴极径向反射速调管振荡器  52-79
  3.1 工作原理  52-71
    3.1.1 虚阴极径向反射速调管振荡器结构  52-53
    3.1.2 径向反射速调管中小信号电流的复数导纳  53-56
    3.1.3 径向反射速调管谐振腔内微波的增长  56-58
    3.1.4 径向谐振腔间隙的电子负载与耦合系数  58-60
    3.1.5 返回电子束在谐振腔间隙中的群聚电流与导纳  60-63
    3.1.6 谐振腔内电场能量上升时间与结构参数的关系  63-64
    3.1.7 径向反射腔中的虚阴极对电子束反射位置的影响  64-68
    3.1.8 径向反射腔中的虚阴极振荡对反射电子束的作用  68-71
  3.2 数值模拟研究  71-78
    3.2.1 虚阴极径向反射速调管振荡器结构  71-72
    3.2.2 数值模拟研究结果  72-78
  3.3 结论  78-79
第四章开放式同轴折叠式谐振腔径向反射速调管振荡器  79-94
  4.1 开放式同轴折叠式谐振腔  79-82
    4.1.1 谐振腔中的模式  80-81
    4.1.2 谐振腔频率  81-82
    4.1.3 谐振腔Q值  82
  4.2 一维模型  82-85
    4.2.1 径向二极管间隙对电子束的调制作用  82-84
    4.2.2 反射腔中的虚阴极  84-85
  4.3 数值模拟研究  85-93
    4.3.1 径向反射速调管振荡器结构  85-86
    4.3.2 数值模拟和优化  86-93
  4.4 结论  93-94
第五章结束语  94-98
  5.1 本论文完成的主要工作  94-97
  5.2 工作展望  97-98
博士论文期间录用和发表的学术论文  98-99
致谢  99-100
参考文献  100-105

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