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无引导磁场高功率微波源的探索

杨郁林  
【摘要】: 本文主要从高功率微波源小型化的角度,重点研究了无引导磁场的高功率微波器件。首先对几种高功率窄带微波源进行了评估,然后着重研究无引导磁场最具备代表性的两种器件,磁绝缘线振荡器(MILO)和Super-Reltron,并提出了改进的措施。同时我们提出了一种新的无引导磁场的高功率微波器件:轴向加速管。 我们对MILO器件中波束相互作用的物理机理做了详细的理论分析,研究了MILO空间电荷的调制及其辐射机理。同时对MILO现有的实验结果进行了数值模拟,研究了其主要参数对MILO的影响。根据数值模拟结果,我们探讨了提高MILO频率的途径,用增加在阴极端头发射电流的办法,降低了径向电流提供绝缘磁场的要求,用整体下移的办法我们在C波段得到了1.2GW的微波输出功率理论结果。用整体上移的办法增加高次谐波,通过对输出频率的选择,在X波段获得了250MW的功率输出。我们还对C波段MILO进行了实验设计,理论结果为:在外加电压400KV,电流60KA,微波输出功率1GW,目前实验已经达到了500MW以上的微波输出。 我们对Super-Reltron的主要改进是:用同轴结构代替非同轴结构,并进行了物理分析和数值模拟。在调制腔电压125kV、加速间隙电压600kV和电流15kA时,在C波段获得了峰值功率约2.5GW和约25%效率的数值模拟结果。使得其工作频率以及输出功率都较以前大大提高。同时研究了空间结构变化对频率的影响,计算表明频率主要与箔的高度有关,并与箔的高度成反比。还研究了电流对输出功率的影响,在电流达到空间电荷极限以前,微波输出功率和电流的平方成正比。 最后,我们提出了一种新的高功率微波器件——轴向加速管,与径向加速管比较,有两个不同:在二极管/共振腔后加一个加速段,并将径向加速改为轴向加速。研究了这种器件中电子束的辐射和群聚,发现在二极管与共振腔结合的系统里,电子束可实现理想群聚,并通过电子束的再加速增加转换效率。改变提取腔,可以选择不同的频率输出。用增加中间腔的办法,大大提高了前两阶谐波电流分量,数值计算结果表明,其中一阶谐波电流调制系数达到了140%,二阶谐波电流调制系数达到了68%,通过改变提取腔的设计,可选择不同频率的输出,其一次谐波频率为2.2GHz,输出功率为1.25GW,效率为9.33%,二次谐波频率为4.4GHz时,输出功率为0.48GW,效率为3.6%。


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