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X波段五腔渡越管振荡器的理论与实验研究

陈代兵  
【摘要】: 本论文基于渡越时间效应提出了一种新的渡越管振荡器结构模型,并对基于这种新结构模型的X波段五腔渡越管振荡器进行了理论和实验研究。 首先,从麦克斯韦方程出发,采用时域有限差分的方法,研究X波段五腔渡越管振荡器谐振腔的TM_(ono)模式的本征频率以及对应的场分布。 然后,采用荷电质点(即单粒子)模型,从电子的运动方程出发,经过坐标变换,得出了基于渡越时间效应的束波互作用的一维非线性方程组;将五腔渡越管振荡器的模式场代入方程组,通过数值计算,给出了电子束与不同模式场的能量交换关系。一维非线性分析的结果表明,X波段五腔渡越管振荡器可以产生高功率微波。 接着,采用2.5维粒子模拟程序,对五腔渡越管振荡器进行了粒子模拟,证明了一维非线性分析的结论。并结合一维非线性分析以及谐振腔的高频特性研究,优化设计出工作频率为9.3GHz,输出功率为1GW,束波转换效率大于22%的五腔渡越管振荡器。 最后,对五腔渡越管振荡器进行了实验研究。设计了阻抗变换器,并对同轴耦合输出的支撑杆以及模式转换结构进行了驻波系数的标定。并在Sinus-700加速器上进行了实验研究。通过调节加速器输出的电压,电流,引导磁场的大小和支撑杆之间的距离,得到了较好的实验结果。当束压约为700kV、束流为7kA时,在大约9.25GHz的频率上,微波输出峰值功率约为780MW,脉宽(半高宽)约为21ns,束波转换效率约为16%。


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