低阻无箔渡越辐射振荡器的研究

论文摘要

传统轴向渡越器件大多工作在高阻抗状态,关于低阻抗渡越器件的研究主要集中于径向渡越时间振荡器,并且几乎所有的这些渡越器件都存在栅网结构。高阻抗器件不利于与提供高电功率的低阻抗脉冲功率驱动源相配合,而栅网结构则不利于实现长脉冲和重复频率运行。目前,关于低阻无箔结构的渡越器件国内外尚未见报道,实验研究更是空白。基于此,本文提出了一种新型结构的低阻无箔渡越辐射振荡器,并且从理论和数值分析、粒子模拟及工程设计等方面对新型渡越器件进行了系统研究。论文首先运用小信号理论研究了电子注与任意驻波场的相互作用,得到了表征电子注能量得失的电子注负载电导表达式,得到了电子注加载引起的本征场频率漂移和射频场时间增长率表达式;同时用数值计算的方法研究了L波段新型低阻无箔渡越辐射振荡器的高频特性,得到了同轴漂移段长度改变对腔体本征模场的影响规律;借助小信号理论和数值计算分析了L波段新型低阻无箔渡越辐射振荡器的束波相互作用规律,得到了新型器件的电压工作范围,得到了电子注加载对腔体本征场频率的影响。其次,重点对L波段新型低阻无箔渡越辐射振荡器进行了模拟研究。在输入电子注压600kV、束流36kA、约束磁场0.45T的情况下,在L波段得到了超过5GW的微波功率输出,主频为1.6GHz,束波转换效率为23.1%,功率饱和时间在15ns左右,工作模式为类p模。对S波段、C波段和X波段的低阻无箔渡越辐射振荡器也进行了初步粒子模拟。S波段典型的粒子模拟结果为:在输入束压和束流分别为550kV和27.6kA、约束磁场为0.8T的情况下,在3.175GHz处得到了大约4.0GW的微波功率输出,束波转换效率为26.4%,功率饱和时间约10ns。在几乎相同的输入电压下,C波段和X波段均获得了超过2.0GW的微波功率输出,束波效率在20%左右。最后,对L波段新型低阻无箔渡越辐射振荡器进行了相关工程方面的设计。重点设计了新型低阻无箔渡越辐射振荡器的励磁系统,计算了螺线管产生满足要求的约束磁场所需的电容器数目。螺线管在22.0ms时达到最大电流600A,40ms的时间内线圈升温约0.261K,匝间间隙0.5mm时产生的匝间电动力约为144N。利用工程计算软件设计了支撑杆和模式转换器。选取每排支撑杆数目为5的相距λ/4的两排支撑杆结构,在频率1.5GHz~1.68GHz的范围内,微波能量传输系数超过99%。模式转换器把同轴TEM模转化为TM01模向外围空间辐射,在给定的结构尺寸下,最大增益方向角为27±。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 渡越辐射器件的研究概况
• 1.1.1 高功率微波源发展概述
• 1.1.2 渡越辐射器件的研究概况
• 1.2 新想法和新器件的提出
• 1.2.1 低阻的实现
• 1.2.2 基于长脉冲和重复运行的考虑
• 1.2.3 内外导体双盘荷结构
• 1.3 课题研究的意义及主要内容
• 1.3.1 课题研究的意义
• 1.3.2 论文主要内容
• 第二章 渡越辐射振荡器的小信号理论
• 2.1 任意场分布下的电子注耦合系数
• 2.2 电子注负载电导
• 2.3 电子注引起的频移和时间增长率
• 2.4 小结
• 第三章 L波段低阻无箔渡越辐射振荡器高频特性分析
• 3.1 物理模型
• 3.2 高频特性数值分析
• 3.2.1 调制腔高频特性
• 3.2.2 双腔提取结构
• 3.3 小结
• 第四章 低阻无箔渡越辐射振荡器的理论研究与粒子模拟
• 4.1 L波段两腔谐振结构各模式束波作用的理论研究
• 4.2 L波段低阻无箔渡越辐射振荡器粒子模拟研究
• 4.2.1 粒子模拟方法简述
• 4.2.2 基本模型
• 4.2.3 PIC粒子模拟与分析
• 4.3 S波段、C波段和X波段低阻无箔渡越辐射振荡器粒子模拟初步
• 4.4 小结
• 第五章 L波段低阻无箔渡越辐射振荡器的相关工程设计
• 5.1 导引磁场设计
• 5.1.1 螺线管磁场
• 5.1.2 螺线管参数计算
• 5.1.3 电容器组的确定
• 5.1.4 螺线管温升和匝间电动力
• 5.1.5 导引磁场设计结果
• 5.1.6 Karat计算验证
• 5.2 微波提取部分的工程设计
• 5.2.1 支撑杆设计
• 5.2.2 模式转换器
• 5.2.3 微波远场辐射
• 5.2.4 设计结构模拟结果
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 6.1 主要工作及结论
• 6.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• a值表'>附录一：电感计算公式K_a值表
• 附录二：螺线管通电电流极值表达式简化