论文题目: 高功率毫米波返波管器件研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 核技术及应用
作者: 陈洪斌
导师: 周传明
关键词: 返波管,超辐射机理,色散关系,高功率微波,非线性理论
文献来源: 中国工程物理研究院
发表年度: 2005
论文摘要: 返波管是输出功率最高的微波器件之一,也是基于超辐射机理的毫米波微波器件中功率和功率转换效率最高的器件。 本论文分为三个部分,第一部分（第二章）研究的是相对论返波管的非线性理论,第二部分（第三章,第四章）是研究普通受激辐射毫米波返波管,第三部分（第4章）是对两种基于超辐射机理的毫米波返波管进行粒子模拟。 本文在一系列假设条件下,给出相互作用区的电磁场表达式。在考虑反向波和同步波都与电子束相互作用条件下,利用Maxwell方程组推导出了相对论返波管的自洽非线性工作方程组。在MATLAB软件平台上编制了计算程序,计算出反向波包络随归一化长度之间的关系曲线,验证了方程组的正确性。 对普通受激辐射毫米波返波管进行粒子模拟和优化设计,在电子束参数:电压170kV、电流800A、脉冲宽度4ns情况下,得到毫米波输出功率25MW、脉冲宽度3ns、效率21%和输出模式为TM01。并给出了归一化输出功率与电子束半径和引导磁场的关系曲线。在第四章对上述模拟结果进行了实验验证,获得了如下的实验结果:在阴极外半径为2.25mm、阴阳极之间的距离为3.5mm、二极管电压～175kV,电流～785A情况下,获得最大辐射功率～18MW、脉冲宽度～3ns、输出模式为TE11单一辐射模式,功率效率～12.9%,在重复频率10Hz情况下进行了运行。粒子模拟结果与实验结果基本一致,得到较好的实验结果,标志国内首次研制成功高功率窄脉冲重复频率的毫米波源。 最后部分对基于超辐射机理的返波管进行了粒子模拟。对基于超辐射机理的毫米波返波管（D/λ=1）进行了粒子模拟,得到优化设计结果:电子束参数～200kV、电流～800A、脉冲底宽～1.2ns、上升前沿和下降沿都～0.1ns和引导磁场强度～3.7T,模拟得到输出功率～75MW、脉冲宽度～350ps、频率～36.5GHz、输出模式为TM01模和功率效率～47%。并给出了归一化输出功率与引导磁场、电子束半径、电子束厚度、电子束脉冲宽度、二极管电压上升前沿、电子束电流和电子束电压之间的关系曲线。首次提出了带反射网的基于超辐射机理的毫米波返波管器件（D/λ=2.65）,并进行了粒子模拟和优化设计。在电子束参数:电压幅值～240kV、电流～3kA、脉冲宽度～1.3ns、脉冲前
论文目录:
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 相对论返波管的起源和发展
1.2 毫米波特点和应用
1.2.1 毫米波特点
1.2.2 毫米波技术的应用
1.3 本文研究内容和主要贡献
第二章 相对论返波管非线性理论分析
2.1 相对论返波管理论发展
2.2 相对论返波管非线性工作方程理论推导
2.2.1 RBWO中束波互作用的辐射场的形式及其演化方程
2.2.2 电子运动方程
2.2.3 边界条件
2.3 相对论返波管的非线性工作方程
2.4 数值计算
2.5 小结
第三章 返波管粒子模拟和优化设计
3.1 引言
3.2 粒子模拟的物理模型和算法
3.2.1 基本方程和物理模型
3.2.2 麦克斯韦方程的解
3.2.3 泊松方程
3.2.4 运动方程
3.2.5 PIC方法
3.3 8毫米波返波管的粒子模拟
3.3.1 8毫米波返波管高频特性分析
3.3.2 8毫米波返波管粒子模拟
3.4 小结
第四章 高功率窄脉冲8毫米波返波管实验研究
4.1 引言
4.2 实验设计
4.2.1 实验装置
4.2.2 脉冲源简介
4.2.3 引导磁场系统
4.2.4 二极管
4.2.5 慢波结构
4.2.6 模式变换器
4.2.7 辐射天线
4.2.8 测试方法
4.3 实验研究
4.3.1 实验过程
4.3.2 实验结果
4.5 小结
第五章 基于超辐射机理的相对论返波管粒子模拟
5.1 引言
5.2 基于超辐射机理的工作于基模的纳秒返波管粒子模拟
5.3 过模慢波结构的高频特性研究
5.3.1 过模慢波结构的模式选择
5.3.2 带过模慢波结构的高频特性数值模拟
5.4 带反射网的基于超辐射机理的过模毫米波返波管粒子模拟
5.5 小结
第六章 结束语
6.1 全文简要回顾
6.2 主要贡献
6.3 主要遗憾
6.4 下一步安排
致谢
攻读博士学位期间发表论文
参考文献
发布时间: 2005-10-21
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