永磁包装可调谐相对磁控管的研究

【摘要】：在广泛调研了相对论磁控管(RM)研究进展的基础上,首先对RM的Hull截止条件和Buneman-Hartree同步条件进行了理论分析,利用数值模拟方法得到了两种经典RM谐振系统的色散曲线,并比较了两种经典RM谐振系统的工作区域和色散特性曲线,指出10腔旭日型RM较A6型RM而言,有更宽的工作区域,同时有更好的模式隔离,更利于RM的稳定工作。 在整合实验室已有资源的研究成果的基础上,提出了世界上第一支永磁包装可调谐相对论磁控管的设计方案,对方案的可行性进行了论证,并对永磁包装可调谐相对论磁控管进行了前期实验研究。实验中设计加工了一个小腔深度可调的十腔旭日型阴极结构,对永磁包装下的RM调谐性能进行了实验,通过改变小谐振腔深度,频率变化范围为2.73GHz-2.88GHz,输出功率均大于1GW,效率在13%左右。同时进行了10Hz重复脉冲实验,在10Hz重复脉冲下,永磁包装RM取得了大于700MW的输出功率,效率大于8%。本次实验是在原有的永磁装置上进行的,其磁场峰值场强为5940Gs。 首次对磁场轴向不均匀性对RM性能的影响进行了研究。首先,针对广泛存在的磁场轴向不均匀性,分析了磁场不均匀性的来源及磁场各分量的空间分布,指出在轴向不均匀磁场中,磁场的径向分量是很小的,可以忽略。其次,分析了电子在正交静电场的轴向不均匀静磁场下的运动轨迹,定性分析得出其必然导致RM模式竞争加剧的结论,电子的轴向漂移会加剧这一作用。接着利用粒子模拟软件对轴向不均匀磁场下的RM进行了粒子模拟研究。粒子模拟结果与前面的理论分析一致,粒子模拟结果表明,当磁场轴向不均匀度小于6.9%时,RM可以正常工作。同时还发现一定程度的磁场轴向不均匀性(不均匀度在4%-6%之间时)可加速RM的起振。最后对减小磁场轴向不均匀性对RM影响进行了理论分析和粒子模拟研究,结果表明加长阴极杆能有效抑制电子轴向漂移,从而减小磁场轴向不均匀性引起的模式竞争。同时,与理想均匀场下短阴极支撑杆的仿真结果相比,实验测不均匀磁场下长阴极支撑杆的输出功率的效率都增加了约11%。 对世界上第一支永磁包装可调谐相对论磁控管进行了实验研究,实验采用了新的永磁装置,磁场峰值场强为4993Gs。实验结果在S波段调谐带宽大于300MHz,中心频率为2.77GHz,输出功率大于500MW,效率6%-16%。分析认为,该实验装置的输出功率还有进一步提升的空间。