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相对论磁控管的理论与实验研究

李天明  
【摘要】:在广泛调研国内外相对论磁控管的研究动态,系统评述有关研究成果的基础上,深入研究磁控管的基本理论与相对论磁控管的特殊物理问题,归纳出了当代相对论磁控管发展与应用的一大难题,一个亮点与一个方向。一大难题是效率不高,典型值为10~20%;一个亮点是可调谐,可调谐相对论磁控管是目前真正具有宽调谐范围又有较高效率的唯一高功率微波器件;一个方向是实现小型化(永磁包装),从而确定了本论文沿这三个方面展开研究工作。 利用单粒子模型、流体模型与粒子模拟软件深入分析了电子回旋运动,漂移运动,层流厚度,空间电荷场,回旋半径等因素对电子效率的影响,并通过大量计算剖析了从普通磁控管演变到相对论磁控管的过程中,效率由高到低变化的物理机制,得出“强”高频场是影响相对论磁控管效率主要因素的结论。以此为基础,作者从不同的角度提出了三种改善相对论磁控管效率方案:①降低有载Q值;②限制工作电流;③高阻相对论磁控管锁相阵列。粒子模拟表明,这些方案均有效的提高了相对论磁控管效率,最高可达40%以上。这是国内外首次针对相对论磁控管效率进行的全面分析,使我们对相对论磁控管低效率机制有了更清晰的认识。 论文深入分析了内腔调谐的机理,指出模式竞争和0模分量是限制相对论磁控管调谐范围与性能的主要障碍,给出了频率间隔、0模分量与高频结构参数之间的依赖关系。从已有实验条件出发,提出调谐相对论磁控管的基本方案,并在异腔结构磁控管理论的指导下,利用高频场结构分析软件HFSS对其进行优化,通过合理的调整谐振腔结构与开放阳极端帽等措施,设计了调谐范围达900MHz的S波段相对论磁控管。以此为基础,系统设计与加工了一只可调谐相对论磁控管,并分别在高Q值、低Q值与有端帽、无端帽下进行了实验研究。实验结果表明所研制的相对论磁控管具有20%的调谐带宽,超过1GW的功率输出。此结果不仅填补了国内可调谐RM研究的空白,与美国PI公司报道的S波段可调谐RM(33%调谐带宽,400~600MW输出功率)比较,其输出功率提高一倍以上,功率带宽积提高近40%。S波段可调谐RM的成功研制,表明我们已掌握了RM的可调谐技术,也标志着我国在这方面的研究达到了世界先进水平。 论文对径向极化永磁磁路进行了深入研究,分别从工程设计与磁路方程数值求解的角度出发对其进行分析,结合此前研制永磁体的经验,设计加工了一只永磁体,其互作用区平均磁场强度高达5.7T,均匀区长度不小于70mm,是目前报道的适用于相对论磁控管永磁体的最高值。实验研究了利用此永磁体包装的RM,其输出功率达到530MW。同时,建立了永磁包装相对论磁控管的粒子模拟模型,并就模拟结果与实验结果进行了对比验证,二者显示出良好的一致性。


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