X波段相对论返波管振荡器研究

论文摘要

返波管（Backward Wave Oscillator,BWO）是输出微波功率最高的微波器件之一,相对论返波管振荡器需要一个体积庞大、高耗能的引导磁场系统。本文主要目的就是解决磁场问题,对小径向尺寸的低磁场返波管进行了研究。本论文共分为3部分:第一部分包括第二章和第三章,它主要对返波管振荡器进行了理论研究,推导了返波管产生的微波的频率与电子束参数、慢波结构参数之间的解析关系式,对正弦慢波结构给出了较为准确的结论,为返波管优化设计提供了理论指导;同时,从线性化的Vlasov方程出发,首次推导了返波管产生的微波功率与引导磁场之间的关系,该结论与以前的实验结果基本一致;第二部分包括第四章和第五章,它首先通过数值模拟对相对论返波管振荡进行了设计,在返波管为七腔结构（腔的平均半径为1.527cm,腔的深度0.375cm,轴向周期1.7cm）、电子束为环形电子束（电子束束环平均半径为0.95cm,束环厚度为1mm）、电子束束压为900kV、电子束束流为6.7kA、引导磁场为3.2T时,得到输出微波功率约为1.2GW,输出微波的频率为9.4GHz,束波转换效率约为20%;然后对相对论返波管振荡进行了实验研究,二极管电压约为790kV、电流约为6.7kA并以100Hz重复频率运行时得到了微波输出功率为1.4GW、微波频率为9.4GHz、微波脉宽为30ns、束波转换效率为26%且100次波形之间分散性较小的实验结果;第三部分包括第六章和第七章,首先对低磁场返波管振荡器的数值模拟,当电子束束压为760kV、束流为7.2kA、引导磁场强度为0.73T时,输出微波功率约为1.2GW、微波频率约为9.3GHz,微波模式为TM01,束波转换效率约为25%;然后对低磁场返波管振荡器进行了实验研究,当引导磁场强度为0.68T、电子束束压为740kV、总电流为12kA、束流为7kA时,低磁场返波管振荡得到频率为9.1GHz、功率为1.15GW、模式为TM01模、脉冲半高宽越22ns的微波输出,器件的束波转换效率约为22%,该结果与国内外低磁场器件的水平相当,但是本器件有一个明显的优势,那就是器件的径向尺寸是同波段的低磁场器件中最小的,因此也是最有利于实现永磁包装的低磁场器件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 相对论返波管振荡器的基本原理
• 1.2 返波管振荡器的国内外的发展现状
• 1.2.1 重复脉冲运行
• 1.2.2 提高效率
• 1.2.3 毫米波振荡器
• 1.2.4 极高功率返波管
• 1.2.5 低磁场运行
• 1.2.6 长脉冲运行
• 1.3 本论文的主要内容
• 1.4 创新点及主要贡献
• 第二章 慢波结构的电动力学特性
• 2.1 引言
• 2.2 色散关系的确定
• 2.3 0、π/2、π谐振点的确定
• 2.3.1 基本方程组及其解
• 2.3.2 三个谐振点的确定
• 2.4 相速度和群速度
• 2.5 耦合阻抗
• 2.6 慢波结构中束波互作用产生的微波频率的近似表达式
• 2.7 小结
• 第三章 返波管振荡器的理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 相对论返波管工作方程的理论推导
• I的的表达式'>3.2.1 慢波结构中扰动电子分布函数f_I的的表达式
• 3.2.2 器件的输出微波功率
• 3.2.3 时间增长率的表达式
• 3.3 结语
• 第4章 X波段相对论返波管振荡器的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 粒子模拟的物理模型和算法
• 4.2.1 基本方程和物理模型
• 4.2.2 麦克斯韦方程的解
• 4.2.3 泊松方程
• 4.2.4 运动方程
• 4.2.5 PIC方法
• 4.3 X波段返波管振荡器慢波结构的色散特性分析
• 4.4 X波段返波管振荡器的粒子模拟
• 4.4.1 粒子模拟模型
• 4.4.2 慢波结构对输出微波的影响
• 4.4.3 引导磁场对输出结果的影响
• 4.4.4 电子束能量（即电子束束压）对输出结果的影响
• 4.4.5 电子束束环平均半径对输出结果的影响
• 4.4.6 电子束束环厚度对输出结果的影响
• 4.4.8 粒子模拟结果
• 4.5 小结
• 第5章 X波段返波管振荡器的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统简介
• 5.2.1 Tesla型脉冲功率源
• 5.2.2 强流电子束二极管
• 5.2.3 慢波结构
• 5.2.4 引导磁场系统
• 5.2.5 TM01-TE11模式转换器
• 5.2.6 辐射圆锥喇叭天线
• 5.3 测量系统
• 5.3.1 功率测量
• 5.3.2 频率测量
• 5.4 X波段返波管振荡器的实验研究
• 5.4.1 加速器参数的调试
• 5.4.2 微波频率与磁场强度的关系
• 5.4.3 微波功率与磁场强度的关系
• 5.4.4 微波输出功率与电子束束压的关系
• 5.4.5 重复频率运行实验
• 5.4.6 结论
• 5.5 小结
• 第6章 低磁场波段返波管振荡器设计
• 6.1 引言
• 6.2 主要技术指标
• 6.3 低磁场返波管振荡器的理论设计
• 6.3.1 器件结构的设想
• 6.3.2 器件工作机理分析
• 6.4 低引导磁场返波管器件的粒子模拟
• 6.4.1 粒子模拟模型的建立
• 6.4.2 电子的群聚
• 6.4.3 引导磁场的影响
• 6.4.4 电子束能量（即电子束束压）的影响
• 6.4.6 数值模拟结果
• 6.5 小结
• 第7章 低引导磁场返波管振荡器实验研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验系统简介
• 7.3 测量系统
• 7.3.1 束流测量
• 7.3.2 束压测量
• 7.3.3 微波频率测量
• 7.3.4 微波功率测量
• 7.4 低磁场返波管振荡器的实验研究
• 7.4.1 电子束二极管的调试
• 7.4.2 辐射微波方向图测定
• 7.4.3 输出微波功率与引导磁场之间的关系
• 7.4.4 输出微波频率与引导磁场之间的关系
• 7.4.5 实验结果
• 7.5 结论
• 第8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
• 附录 攻读学位期间发表论文及获奖情况