P波段同轴返波振荡器的研究

论文摘要

目前,国内外关于X波段和C波段的相对论返波振荡器的报道很多,而关于P波段的相对论返波振荡器尚未见报道,但是1GHz以下的高功率微波源仍然具有潜在的国防和工业应用前景。随着高功率微波技术的发展,为了适应高功率微波和目标相互作用的需求,补充低频段的高功率微波源具有重要意义。首先,本论文采用线性理论模型推导出“冷腔”情况下任意轴对称同轴外周期慢波结构中TM模式的色散方程,在此基础上,推导了任意电子束加载情况下轴对称周期慢波结构中TM模式的色散方程,通过编程求解得到了在一定结构参数条件下的BWO同轴慢波结构中TM模的色散曲线,并详细分析了P波段BWO慢波结构中TM01模的色散曲线随器件几何尺寸的变化情况,从而得到了能够工作在P波段的BWO器件慢波结构的近似尺寸,为随后的粒子模拟优化设计提供了方便。同时研究表明同轴相对论返波振荡器可以在相互作用区半径不大的情况下较容易地实现P波段的微波输出,这对研制重量轻、体积小的紧凑型P波段返波振荡器具有重要的现实意义。其次,在模拟研究中,我们采用2.5D全电磁粒子模拟软件对P波段BWO进行了粒子模拟。（1）以均匀结构双波纹同轴返波振荡器为模型研究了P波段BWO的几何结构参数、电子束参数及导引磁场对其工作特性的影响,得到了许多规律性认识;（2）通过优化,设计的均匀结构同轴BWO获得频率767MHz、平均功率2.51GW、束波转换效率30.8%的微波输出,器件最大半径为5.9cm;（3）非均匀结构相比均匀结构具有更高的束波转换效率,在总结模拟经验提出同轴结构中构造慢波结构近似原则的基础上,通过比较说明渐变型非均匀慢波结构相比分段式非均匀慢波结构更能提高束波作用效率,提高微波输出功率;（4）结合同轴结构和渐变型非均匀慢波结构的优点,构造了一个双波纹渐变型非均匀慢波结构BWO。在导引磁场0.83T的条件下,获得了平均功率2.76GW、频率767MHz的微波输出,效率33.9%。导引磁场降低到0.69T的时候,仍然得到平均功率2.37GW的微波输出。该结构包含周期比较少,对导引磁场要求低,并且结构较为紧凑,装配简单,容易调节。最后,利用高频场分析软件模拟设计了一个辐射系统,该辐射系统完成了TEM模到TM01模的模式转换、辐射波导与空间的匹配辐射、内导体的机械支撑、以及内外导体的金属连接等功能。另外,结合TORCH-1加速器的参数,进行了初步的实验设计。这些研究成果对今后开展P波段RBWO的实验研究具有一定的参考意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 返波振荡器简介
• 1.2 返波振荡器研究历史及发展趋势
• 1.3 同轴结构相对论返波振荡器的研究现状
• 1.4 选题背景及意义
• 1.5 本论文的主要工作及创新点
• 1.5.1 论文的主要工作
• 1.5.2 论文工作的创新点
• 第二章 BWO同轴慢波结构中TM模色散特性分析
• 2.1 任意轴对称同轴外周期结构中TM模色散关系式的推导
• 2.2 任意轴对称同轴周期慢波结构色散方程
• 2.3 色散方程求解
• 2.3.1 解析方法求解
• 2.3.2 数值方法求解
• 2.4 双波纹同轴慢波结构色散特性分析
• 2.5 小结
• 第三章 P波段BWO的粒子模拟研究
• 3.1 粒子模拟方法简介
• 3.2 吸收介质的优化
• 3.2.1 模型建立
• 3.2.2 吸收介质物理参数和几何厚度的优化
• 3.2.3 优化后的结果
• 3.3 器件基本结构模型
• 3.4 部分参数对器件性能的影响
• 3.4.1 器件结构参数的影响分析
• 3.4.2 电子束参数的影响分析
• 3.4.3 导引磁场的影响分析
• 3.5 均匀结构P波段BWO的典型模拟结果
• 3.6 渐变型非均匀同轴慢波结构提高BWO效率
• 3.7 渐变型非均匀结构P波段BWO的典型模拟结果
• 3.8 小结
• 第四章 辐射系统的模拟设计与器件的实验设计
• 4.1 辐射系统的模拟设计
• 4.2 器件的实验设计
• 4.3 小结
• 第五章 总结
• 5.1 主要工作及结果
• 5.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学习期间取得的学术成果