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毫米波低磁场慢波结构高功率微波发生器研究

朱俊  
【摘要】: 毫米波在许多方面有着固有的优势而受到越来越多的重视,而慢波型高功率微波源由于其束波转换效率较高、频谱特性好、工作稳定、作用机理简单等特点,也得到了广泛的应用和发展。目前国内外对毫米波高功率微波源的研究还处于起步阶段,在此背景下,本文设计了一种毫米波过模慢波结构高功率微波发生器,具有工作磁场低、结构紧凑、功率效率及输出功率较高等优点。 论文对慢波结构的色散关系进行了理论分析,采用场匹配法与多项式展开法研究了慢波结构的色散特性、作出了色散曲线,并研究了不同结构参数对色散曲线的影响。这给器件尺寸的设计提供了较好的参考依据。 传统慢波器件通常需要较强的导引磁场来约束电子束,实际的应用却希望磁场尽可能低,因此,文中研究了器件低磁场运行的可行性,在此基础上通过粒子模拟选择了适合器件工作的较低的导引磁场。 论文采用KARAT粒子模拟程序对器件产生高功率微波的机制进行了系统深入的粒子模拟研究,给出了束波作用过程详细的物理图像。为对器件进行优化设计,仔细分析了器件的结构参数与运行参数对微波性能的影响:主要分析了慢波结构波纹深度、两段慢波的数目、输出腔的长度与半径等结构尺寸对微波性能的影响,同时还分析了二极管电压与外加导引磁场对束波作用的影响。采用优化后的结构模型,在导引磁场0.73T、束电压700kV、束电流6.28kA条件下,微波在6ns时开始起振,饱和时刻为8ns,饱和后获得了平均功率930MW(微波效率超过20%)、频率为33.41GHz的微波输出,微波模式为TM01模。


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