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基于超辐射机理X波段相对论返波管研究

胡林林  
【摘要】:基于超辐射机理的相对论返波管利用短电子脉冲的超辐射效应产生纳秒/亚纳秒微波脉冲,其输出脉冲具有峰值功率高,脉宽窄和上升前沿快等优点,并能实现大于100%的功率转换效率。因此,对于超辐射返波管的研究具有非常现实的意义。 本文运用粒子模拟和实验研究相结合的方法对相对论返波管中的超辐射机理进行了系统的研究。文章的主要工作和贡献在于: 一、对慢波结构进行了高频特性分析,设计了一种X波段基于超辐射机理的相对论返波管,利用粒子模拟软件对其电性能进行了研究。模拟表明:在束压~430kV、束流~4.0kA,引导磁场2.0T时,得到微波峰值功率~1.5GW,脉宽~700ps、上升前沿~800ps、频率~9.40GHz、输出模式TM_(01);峰值功率转换效率达到87.2%。通过研究束波互作用的物理图像、电子束脉宽和输出峰值功率的关系,证明了器件的微波辐射具有超辐射性质,进一步分析了超辐射产生的条件和规律。 二、在现有Tesla型脉冲源基础上,通过理论分析和数值模拟完成了阻抗变换段、二极管、磁场系统、模式转换器和辐射天线的设计,建立了一套窄脉冲器件的实验系统,为开展超辐射返波管的实验研究提供了实验平台。 三、在国内首次对X波段超辐射返波管进行了初步的实验研究。受磁场所限,在低磁场条件下,得到初步实验结果:在束压~380kV、束流~4.5kA、磁场~0.73T下,产生微波功率~360MW,脉宽~1.10ns、前沿~800ps、频率~9.15GHz,峰值功率转换效率~21%。通过对返波管的在低磁场下的电特性分析,表明低磁场下的微波输出仍然具有超辐射性质。


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