S波段相对论速调管放大器双间隙输出腔的理论与实验研究

论文摘要

相对论速调管放大器(RKA)是GW级的线性束器件，由于RKA中电子束的产生、束波互作用、微波的提取以及电子束的收集这几种功能是在不同区域中完成的，从而可以分别优化各个区域的功能，使得RKA具有高功率、高效率、相位和幅度稳定的优点。本论文对S波段相对论速调管放大器双间隙输出腔进行了理论分析，并结合粒子模拟开展了相应的实验研究，取得了与理论基本相符的结果。论文内容主要包括以下几个方面：一、研究了双间隙输出腔封闭腔中存在的模式。计算了S波段相对论速调管放大器双间隙输出腔开放腔的高频特性，分析了双间隙输出腔的谐振频率与腔体半径和耦合孔尺寸的关系，得出谐振频率的一些变化规律。重点研究了耦合孔尺寸对腔体有载Q值的影响。二、采用一维圆盘模型的大信号理论，分析了本文双间隙输出回路的一些规律，推导出两个间隙中的电子效率关系式，然后用图形给出了各个变量与输出回路效率的关系。三、利用三维粒子模拟程序详细研究了束参数和腔体尺寸对调制强流相对论电子束进入双间隙输出腔后的微波提取情况的影响。在束压760kV，束流7kA，基波调制深度80％，引导磁场1.5T的条件下，通过粒子模拟优化得到功率1.48GW、频率2.85GHz的输出微波，其效率28％。另外，对同轴传输线内的输出模式进行了分析。四、根据理论分析和粒子模拟结果设计并加工了S波段相对论速调管放大器双间隙输出腔，并进行了腔体的冷测和热测实验。热实验中，利用600kV、6.2kA的电子束驱动，采用双间隙提取腔的RKA，得到输出微波功率为1GW的辐射微波，微波频率为2.90GHz，脉冲宽度为22ns，效率为27％，与理论分析和粒子模拟结果较吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 相对论速调管的工作原理
• 1.2 相对论速调管的发展概况
• 1.3 相对论速调管双间隙输出腔的国内外发展动态
• 1.4 论文研究的意义
• 1.5 论文的主要内容
• 第二章 双间隙输出腔的高频特性分析
• 2.1 S波段双间隙输出腔封闭腔模型和谐振频率
• 2.1.1 封闭腔模型
• 2.1.2 封闭腔的谐振频率和场分布
• 2.2 S波段双间隙输出腔开放腔高频特性分析
• 2.2.1 S波段双间隙输出腔开放腔模型
• 2.2.2 双间隙输出腔开放腔的谐振频率、场分布以及腔体尺寸对谐振频率的影响
• 2.2.3 开放腔的有载Q值
• 2.2.4 开放腔的特性阻抗
• 2.3 小结
• 第三章 双间隙输出腔束波互作用的理论分析
• 3.1 输出腔等效电路模型
• 3.2 多间隙输出腔的理论分析
• 3.2.1 基本假定
• 3.2.2 电子圆盘在间隙上的速度和位移
• 3.2.3 电子的效率
• a1的解析式'>3.2.4 间隙入口处对流电流i_a1的解析式
• 3.3 双间隙输出腔的效率
• 3.3.1 单间隙输出腔中的电子效率
• 3.3.2 双间隙输出腔中的电子效率
• 3.3.3 本论文双间隙输出腔的电子效率与物理参数的关系
• 3.4 小结
• 第四章 双间隙输出腔的粒子模拟和优化设计
• 4.1 S波段RKA双间隙输出腔的物理模型及物理过程
• 4.2 S波段RKA双间隙输出腔的粒子模拟
• 4.2.1 模拟结构参数
• 4.2.2 粒子模拟典型结果
• 4.2.3 束波互作用间隙处的工作模式
• 4.2.4 双间隙输出腔输出段工作模式判断
• 4.3 各参数对S波段RKA双间隙输出腔微波提取功率、效率的影响
• 4.3.1 束波互作用能量交换随直流渡越角的变化
• 4.3.2 束波互作用效率随基波调制深度的变化
• 4.3.3 束波互作用效率随间隙电压的变化
• 4.3.4 束波互作用效率随两间隙之间距离的变化
• 4.3.5 输出功率随耦合孔张角的变化
• 4.3.6 输出微波功率随束外径与漂移管壁之间距离的变化
• 4.3.7 输出微波功率随引导磁场的变化
• 4.3.8 输出微波功率随束直流的变化
• 4.3.9 输出微波功率随注入微波频率的变化
• 4.4 间隙场强的比较
• 4.5 小结
• 第五章 S波段相对论速调管放大器双间隙输出腔的实验研究
• 5.1 标定系统及腔体的冷测
• 5.1.1 标定系统的建立
• 5.1.2 渐变线的标定
• 5.1.3 双间隙输出腔的结构设计要求和冷测
• 5.2 双间隙输出腔的热实验
• 5.2.1 束流的引出
• 5.2.2 束流调制
• 5.2.3 微波提取
• 5.2.3.1 辐射微波参数测试方法
• 5.2.3.2 实验结果及分析
• 5.3 结论
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 1.发表论文情况
• 2.参加学术会议