W波段永磁包装高次谐波潘尼管的研究

摘要

回旋管是毫米波波段最有发展前途的中、高功率、高效率器件之一，高功率回旋管成功地应用于核聚变等离子体回旋谐振加热中，同时回旋管在毫米波陶瓷烧结、材料加工、毫米波通信、毫米波武器（主动拒止系统）以及高分辨率雷达方面有着广泛的应用前景。短毫米波回旋管的严重不足是必须要使用超导磁体，由于其价格昂格，系统复杂，启动时间长，限制了回旋管在很多情况下的应用效果。潘尼管是另一类还未充分研究、应用的回旋器件，大量研究表明，它具有效率高，可高次谐波工作，因此具有可以实现永磁包装而不用超导磁体的潜在优势受到人们的高度重视。目前日本学者研制的潘尼管获得了W波段的微波辐射，美国学者也有研制Ka波段实用潘尼管的详细计划和实验结果，但是目前都还没有研制W波段实用样管的报道。近几年来，电子科技大学强辐射实验也开展了潘尼管的研究，进行了Ka波段3次谐波潘尼管的设计和大回旋电子枪的探索。根据对需求背景和可能性的分析，决定以研制W波段10kW量级的永磁包装潘尼管作为实验室的近期任务，同时该项目也受到国家自然科学基金的大力支持。
　　本文以研制W波段10kW量级永磁包装潘尼管器件为目标，对器件总体方案的选择，注波互作用系统的理论分析与设计，永磁系统的设计，电子光学系统的设计，冷、热测系统设计和测试方法进行了系统深入的研究，实际加工了高频腔体并进行了冷测实验，得到了与理论计算基本符合的结果。在潘尼管总体方案选择上，兼顾永磁材料性能与器件效率，提出了6次谐波永磁包装磁控型潘尼管方案。高次谐波潘尼管主要是深入研究7开槽谐振腔中的模式竞争问题，证明其6次谐波2π模单模稳定工作的可能性，设计了相应的谐振腔并进行了器件的PIC全电磁粒子模拟，给出了功率达30kW，效率达40％的W波段6次谐波潘尼管参量设计。同时编制潘尼管的自洽非线性大信号计算程序，并用以深入研究了引导中心偏移、速度离散等因素对潘尼管性能的影响，表明在引导中心偏移不大于8％，相对纵向速度离散不大于8％，该器件的功率仍可达10千瓦，效率为17%，从而确定了W波段实用潘尼管对电子束质量的最低要求。潘尼管永磁包装系统研究了利用现已掌握径向极化永磁体技术制作潘尼管所需永磁体的可行性，并设计了一个结构紧凑的永磁体，虽然其磁场分布有缺点，但其特殊缓变倒向磁场和工作均匀区磁场基本可以分别满足产生大回旋电子注和实现潘尼管注-波互作用的磁场要求。潘尼管大回旋电子枪是在上述永磁体可能得到的磁场分布下，运用一种新的设计理念，设计了适应这种特殊倒向场的大回旋电子枪，据模拟计算获得引导中心偏移为5.4%,纵向速度离散为6.9%，横向速度零散为1.3%，和速度比为2的大回旋电子注，该设计的大回旋电子束完全满足潘尼管工作的基本要求。论文同时深入研究了这种紧凑型永磁体的特殊磁场下电子注的流通规律，提出了在工作情况下监测电子枪的工作状态和优化电子束参量的实用方法。W波段永磁包装潘尼管测试技术及系统研究主要是对W波段永磁包装潘尼管进行系统设计，同时分别设计了潘尼管冷测实验用矩形 TE10模式-圆波导 TE01模式转换器和圆波导 TE01模式-矩形TE10模式的诊断耦合腔，以此用来测试潘尼管的Q值以及确定潘尼管的工作模式，所得测试结果与预期基本一致。论文最终设计出W波段永磁包装高次谐波潘尼管的结构框架，并搭建了W波段永磁包装潘尼管系统热测试平台，整个潘尼管热测实验正处于积极的筹备当中。

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第一章 绪 论

1.1 短毫米波技术的发展和应用

1.2 潘尼管的发展概况

1.3 永磁包装高次谐波潘尼管的特点

1.4 W波段高次谐波永磁包装潘尼管的物理考虑

1.5 学位论文的主要工作和创新点

第二章 磁控型开槽波导潘尼管基本理论研究

2.1 磁控型开槽波导结构潘尼管的工作原理分析

2.2 磁控型开槽波导结构横向场和模式分析研究

2.3 磁控型开槽波导结构色散特性研究

2.4 磁控型开槽波导结构场的纵向分布和起振电流分析研究

2.5 高次谐波磁控型潘尼管模式竞争研究

2.6 小结

第三章 6次谐波潘尼管自洽非线性理论和粒子模拟研究

3.1 磁控型开槽波导结构潘尼管自洽非线性理论研究

3.2 磁控型高次谐波潘尼管自洽非线性理论研究

3.3 W波段6次谐波潘尼管磁控型潘尼管粒子模拟研究

3.4 非理想电子注下W波段6次谐波潘尼管输出特性研究

3.5 小结

第四章 潘尼管永磁包装系统的研究

4.1 高磁场强度永磁系统的研究

4.2 潘尼管永磁体系统设计方案选择和基本设计要求

4.3 潘尼管永磁包装磁体系统的设计

4.4 高场强永磁包装系统的加工和测试

4.5 潘尼管永磁包装磁场的优化研究

4.6 小结

第五章 潘尼管特殊缓变倒向场大回旋电子枪的研究

5.1 大回旋电子注的形成机理研究

5.2 永磁体系统倒向磁场的特殊性研究及方案选择

5.3 大回旋电子枪模拟计算程序与方法简述

5.4 特殊缓变倒向场大回旋电子枪的研究

5.5 永磁磁场中大回旋电子枪的调试方法研究

5.6 大回旋电子枪的剩余电子和能量回收

5.7 小结

第六章 W波段永磁包装潘尼管测试技术及系统研究

6.1 潘尼管冷测系统的总体考虑

6.2 W波段磁控型潘尼管冷腔测试用模式转换器的研究

6.3 潘尼管高频腔体冷测实验与结果分析

6.4 W波段6次谐波磁控型潘尼管的结构设计考虑

6.5 W波段6次谐波磁控管型潘尼管热测系统总体安排

6.6 小结

第七章 结束语

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果