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S波段长脉冲相对论速调管放大器的理论与实验研究

2020-11-22阅读(735)

S波段长脉冲相对论速调管放大器的理论与实验研究

论文摘要

相对论速调管放大器(Relativistic Klystron Amplifier)是一种高功率、高效率的微波器件。论文针对S波段长脉冲强流RKA进行了深入的理论分析，并开展了相应的实验研究，取得了与理论相符的实验结果。 论文理论分析分为三个方面： 1．采用三维模型，分析了RKA中强流相对论电子束(Intense Relativistic Electron Beams)与谐振腔间隙中的角向均匀和非均匀模式相互作用的动力学过程，分析结果证实，角向非均匀模式与电子束相互作用后会造成电子束的发散，为此提出了采用腔体较长的高阶模输入腔和输出腔，设计和调试出了场强角向分布比较均匀的输入腔和输出腔，减轻了电子束的发散问题，保证了强流调制长脉冲电子束的长距离稳定传输，在S波段RKA谐振腔的设计和微波调试实验中得到应用。 2．采用电磁场的等效原理，并利用格林函数积分法严格求解了大耦合孔同轴输出腔的本征频率、有载品质因数和特性阻抗等高频参数，建立了完整的三维解析表达式，为微波提取腔的计算机辅助计算和设计建立了解析分析模型和详细的计算公式，在S波段RKA输出腔的计算中得到应用。 3．分析了长脉冲IREB经过强电场作用间隙形成电子反射及自激振荡的物理过程，为此对谐振腔的参数设计提出了“参差模式”的设置方案，优化分析和模拟了三轴输出腔，减少了反射电子，抑制了自激振荡的形成，同时微波提取效率达到35％，比同轴输出腔提高了9个百分点。 根据理论分析结果，设计了S波段RKA，并采用PIC程序进行了数值模拟，确定了谐振腔的基本电参数和几何尺寸，给出了束流群聚的最佳位置、RKA运行的最佳参数与性能，以此进行了相应的高功率微波器件实验。 RKA的实验研究包括高频系统(包括输入腔、输出腔和辐射喇叭)的工程设计和实验调试，以及束流调制与微波提取的实验研究。在高频系统实验研究中，调试出了谐振频率、有载品质因数和场强角向分布等参数符合设计要求的输入腔和输出腔，减小了不均匀模式对电子束发散的影响。在RKA的微波实验中，通过优化调试输入腔、中间腔和输出腔参数，解决了长脉冲IREB的长距离稳定传输和群聚问题，减缓了RKA自激振荡的建立，减轻了强流调制电子束和输出微波的脉冲缩短问题。在螺旋线型强流脉冲加速器(电子束参数为550kV、4kA、210ns)的驱动下，输出微波功率580MW、频率2.85GHz、脉宽140ns，效率26％，增益34dB，与理论分析和模拟结果相吻合。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究背景
  • 1.1.1 相对论速调管放大器的发展
  • 1.1.2 S波段长脉冲相对论速调管放大器研究的技术难度
  • 1.2 论文主要内容
  • 1.3 论文解决的实际问题和创新点
  • 第二章 强流相对论电子束与角向均匀和非均匀模式的相互作用
  • 2.1 强流相对论电子束发散的实验现象
  • 2.2 角向非均匀模式的存在
  • 2.3 强流相对论电子束与角向均匀和非均匀模式的相互作用
  • 2.3.1 横向动量
  • 2.3.2 波印廷定理
  • 2.3.3 能量守恒
  • 2.3.4 计算结果
  • 2.4 束流扩散的抑制
  • 2.5 小结
  • 第三章 大耦合孔同轴输出腔高频参数的计算
  • 3.1 解析分析原理及方程的建立
  • 3.2 格林函数的求解
  • 3.2.1 1区—同轴谐振腔的格林函数
  • 3.2.2 2区—同轴谐振腔的格林函数
  • 3.2.3 3区—无限长圆柱波导的格林函数
  • 3.2.4 4区—4个扇形截面柱谐振腔的格林函数
  • 3.2.5 5区—半无限长同轴波导的格林函数
  • 3.3 腔的模式解和本征方程
  • 3.4 同轴输出腔参数的计算
  • 3.5 小结
  • 第四章 微波提取间隙的电子反射及抑制
  • 4.1 束流传输通道的不连续性对束流传输的影响
  • 4.2 同轴漂移管中电子束的空间电荷限制流和微波提取效率
  • 4.3 三轴提取腔的数值模拟与优化
  • 4.4 小结
  • 第五章 S波段相对论速调管放大器的设计
  • 5.1 设计指标
  • 5.2 总体布局
  • 5.3 电子束参数的选择
  • 5.3.1 电子束电参数
  • 5.3.2 电子束几何尺寸
  • 5.4 引导磁场参数的选择
  • 5.5 工作频率的选择
  • 5.6 高频系统参数的确定
  • 5.6.1 谐振腔形状的选择
  • 5.6.2 间隙距离的选取
  • 5.6.3 谐振腔长度的选取
  • 5.6.4 谐振腔有载品质因数的要求与计算
  • 5.6.4.1 输入腔
  • 5.6.4.2 中间腔
  • 5.6.4.3 输出腔
  • 第六章 S波段相对论速调管放大器的数值模拟与优化设计
  • 6.1 谐振腔的计算
  • 6.2 电子束经过输入腔间隙后的调制
  • 6.3 电子束经过中间腔间隙后的调制
  • 6.4 微波提取与优化
  • 6.4.1 同轴提取腔
  • 6.4.2 三轴提取腔
  • 6.5 小结
  • 第七章 S波段相对论速调管放大器的实验研究
  • 7.1 谐振腔的结构设计与调试
  • 7.1.1 输入腔
  • 7.1.2 输出腔
  • 7.2 微波辐射喇叭
  • 7.3 束流的引出与传输
  • 7.4 电子束经过谐振腔间隙后的调制
  • 7.4.1 电子束经过输入腔间隙后的调制
  • 7.4.2 电子束经过中间腔间隙后的调制
  • 7.5 微波辐射
  • 7.5.1 辐射微波测量系统
  • 7.5.1.1 系统布局
  • 7.5.1.2 参数测试方法
  • 7.5.2 实验结果
  • 7.6 结论
  • 第八章 结束语
  • 8.1 全文简要回顾
  • 8.2 下一步工作展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 发表的相关论文
  • 研究生学术活动登记表
  • 研究项目获奖情况

    • 相关论文文献

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