带状电子束Cerenkov型高功率微波振荡器研究

摘要

Cerenkov型高功率微波（HPM）振荡器具有高功率、高效率以及适合重复频率工作等特点，能很好的满足工程运用的实际需要，是重频长脉冲高功率微波源的重要类型之一。由于受到器件功率容量的限制，Cerenkov型HPM振荡器的研究主要集中在低频段，在更高频段如K及Ka波段的研究较少。带状电子束微波源可以在不增加电流密度的前提下，通过增加电子束横截面上宽边的尺寸即可增大传输的电流，从而增大微波源的注入功率，同时增大了束－波作用区域和输出结构的空间，能够较好的解决功率容量的问题。在此背景下，本文设计了分别工作于X与K波段的两个带状电子束Cerenkov型HPM振荡器。为了提高仿真优化工作的效率，提出了一种利用大口径同轴Cerenkov型HPM振荡器作为过渡模型的等效研究方法。该方法依据大口径同轴慢波结构与平板慢波结构的相似性与等效性，先利用2.5维粒子模拟软件，对大口径同轴Cerenkov型HPM振荡器进行模拟优化，以较高的工作效率获得较好的模拟结果，然后基于该结果，利用三维粒子模拟软件再对带状电子束Cerenkov型HPM振荡器进行模拟优化。该方法能够有效提高带状电子束Cerenkov型HPM振荡器的研究与研制效率。利用该方法，获得的主要研究结果如下：
　　一、开展了带状束Cerenkov型HPM振荡器等效研究方法的分析与验证。先从几何结构和工作模式的角度，初步论述了平板慢波结构与大口径同轴慢波结构的相似性；然后分析了两种慢波结构的色散特性，得到等效条件，如在 X波段，当同轴慢波结构的内半径大于50 mm时，两种慢波结构的色散曲线几乎重合，等效性较好；之后利用粒子模拟方法对该方法进行了仿真验证，粒子模拟结果表明，两种模型的模拟结果符合性较好，验证了利用大口径同轴慢波结构等效平板慢波结构方法的有效性。
　　二、对X波段大口径同轴Cerenkov型HPM振荡器进行了粒子模拟优化研究。2.5维粒子模拟结果表明，在二极管电压486 kV，电流密度1.0 kA/cm2，电子束电流43.8 kA，导引磁场3.0 T的条件下，获得了饱和时间为25 ns、功率为7.3 GW、频率为11.9 GHz的微波输出，功率转换效率达到34.4％。
　　三、基于上述结果，对X波段带状束Cerenkov型HPM振荡器进行了粒子模拟优化研究。三维粒子模拟结果表明，在二极管电压486kV，电流密度1.0 kA/cm2，电子束电流为2.4 kA，导引磁场3.0 T的条件下，获得了饱和时间为19 ns、功率为0.3 GW、频率为11.9 GHz的微波输出，功率转换效率为26.1%。
　　四、对K波段大口径同轴Cerenkov型HPM振荡器进行了粒子模拟优化研究。2.5维粒子模拟结果表明，在二极管电压196 kV，电流密度1.0 kA/cm2，电子束电流21.61 kA，导引磁场3.0 T的条件下，获得了饱和时间为21 ns、功率为1.65 GW、频率为25.48 GHz的微波输出，功率转换效率达到38.8%。
　　五、基于上述结果，对K波段带状束Cerenkov型HPM振荡器进行了粒子模拟优化研究。三维模拟结果表明，在二极管电压196 kV，电流密度1.0 kA/cm2，电子束电流600 A，导引磁场3.0 T的条件下，获得了饱和时间为22 ns、功率为27 MW、频率为25.8 GHz的微波输出，功率转换效率为23.3%。
　　六、对带状电子束及大口径同轴Cerenkov型HPM振荡器进行了初步的实验设计。利用仿真软件设计了两种振荡器的导引磁场励磁系统，能够较好的满足器件对磁场位形的要求。结合实验室强流电子束加速器 TORCH-01的接口参数，初步设计了带状束Cerenkov型HPM振荡器的整体结构，为下一步开展实验研究奠定了较好的工作基础。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 高功率微波与高功率微波源

1.2 同轴Cerenkov型HPM振荡器研究现状

1.3 带状束Cerenkov型HPM振荡器研究现状

1.4 论文的研究意义和主要内容

第二章 平板慢波结构的的色散特性及等效研究方法

2.1 平板慢波结构的色散特性

2.2 平板与大口径同轴慢波结构的相似性

2.3 大口径同轴慢波结构的色散特性

2.4 平板与大口径同轴慢波结构色散特性的相似性

2.5 平板与大口径同轴慢波结构等效性的粒子模拟验证

2.6 本章小结

第三章 带状束Cerenkov型HPM振荡器的粒子模拟

3.1 X波段大口径同轴Cerenkov型HPM振荡器的粒子模拟优化

3.2 X波段带状束Cerenkov型HPM振荡器的粒子模拟优化

3.3 K波段大口径同轴Cerenkov型HPM振荡器的粒子模拟优化

3.4 K波段带状束Cerenkov型HPM振荡器的粒子模拟优化

3.5 本章小结

第四章 初步工程设计

4.1 导引磁场设计

4.2 器件的整体设计

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要工作和结论

5.2 今后工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果