相对论返波管

摘要： 高功率微波(high power microwave,HPM)在民用和国防领域具有重要的应用前景。HPM源是HPM系统的核心。相对论返波管(relativistic backward wave oscillator,RBWO)具有相对较高的功率和效率及适合重复频率工作等优点,是最重要的HPM源之一。近10年来,本文作者所在团队在RBWO方面开展了系列研究,取得的进展有:(1)提出切伦科夫辐射和渡越辐射混合产生HPM的原理,发明了速调型RBWO,输出功率达数吉瓦,束波转换效率从30%提高到60%以上;(2)提出电子束与基模和高阶模同时相互作用的双模工作机制,发明了双模工作RBWO,使低磁场RBWO功率提升了约2.5倍,转换效率从低于30%提高到42%;(3)提出通过外加注入信号对电子束进行预调制控制振荡器输出微波相位的方法,发明了牵引锁相RBWO,实现了数吉瓦微波的相位控制和功率合成。

摘要： 为实现高功率微波(HPM)系统的小型化,设计一个S波段较低磁场相对论返波管(RBWO)振荡器。针对低磁场特点,分析慢波结构、引导磁场、束压、束流等对输出微波的影响,通过模拟软件(PIC)优化结构。以此设计引导磁场为0.24 T,电子束束压为725 kV,束流为6 kA,频率为3.53 GHz,输出微波功率为1.22 GW,束波转换效率为27%的低磁场S波段相对论返波管。仿真实验结果表明:在强流电子束加速器平台上外加磁场为0.24 T时,得到平均功率1 GW、频率3.58 GHz、脉宽90 ns的微波输出,与理论值一致。进行了重频为1 Hz,20 s的稳定性实验,该实验结果为实现相对论返波管的永磁包装奠定了良好的基础。

摘要： 为实现高功率微波(HPM)系统的小型化,设计一个S波段较低磁场相对论返波管(RBWO)振荡器.针对低磁场特点,分析慢波结构、引导磁场、束压、束流等对输出微波的影响,通过模拟软件(PIC)优化结构.以此设计引导磁场为0.24 T,电子束束压为725 kV,束流为6 kA,频率为3.53 GHz,输出微波功率为1.22 GW,束波转换效率为27％的低磁场S波段相对论返波管.仿真实验结果表明:在强流电子束加速器平台上外加磁场为0.24 T时,得到平均功率1 GW、频率3.58 GHz、脉宽90 ns的微波输出,与理论值一致.进行了重频为1 Hz,20 s的稳定性实验,该实验结果为实现相对论返波管的永磁包装奠定了良好的基础.

摘要： 本文对一种高效率速调型RBWO进行了理论分析和实验研究.通过理论分析,给出两个预调制腔间距的选择依据;提出一种高功率容量的椭圆形提取腔,可使得提取腔内表面场强降低约25％;分析了磁场分布对效率的影响,结果表明:使用特殊设计的引导磁场,可克服器件转换效率对收集位置的强烈依赖;分析了阴阳极间距对效率的影响,结果表明:随着阴阳极间距增大,器件的最优工作电压降低,并且效率有所提升.在实验中获得X波段微波功率为2.15 GW,脉宽达到25 ns,转换效率为50％(±5％).实验结果与理论和数值模拟结果吻合.

摘要： 为研制低磁场条件下的高功率毫米波源,对工作在TM01模的Ka波段相对论返波管(RBWO)开展了深入研究.首先通过理论计算,分析了慢波结构的色散特性及耦合阻抗特性,获得了工作在基模的RBWO结构的基本参数.然后结合数值模拟方法,对器件的工作条件进行了深入分析,对整管进行了数值模拟.结果 显示,该结构能够产生的输出功率约为400 MW,微波频率约为28.4 GHz,工作效率约为31％.器件的起振小于5 ns,产生的模式纯净,工作稳定性较好.

摘要： RF breakdown of the metallic high frequency structures is an important reason of power decrease and pulse short-ening;it is also an important limitation of the development of high power microwave (HPM)to higher power and longer pulse. The physical process of RF breakdown is pretty complicated,and the experiment research of RF breakdown is hard to conduct, thus simulation research becomes an important method.We simulated the influence of plasma on the performance of an X-band RBWO and a Ka-band RBWO by setting electron and ion emission from the surface of SWSs.The simulation results show that the formation of plasma in back SWSs will influence the performance of RBWO by influencing the electron beam.When the plas-ma consists of light ions and electrons,it will bring stronger influence on the beam wave interaction,leading to power decrease in a high degree.The breakdown plasma has a bigger influence on the Ka-band RBWO than X-band RBWO.%金属高频结构的射频击穿是引起功率下降和脉冲缩短的重要原因,是限制高功率微波(HPM)向更高功率、更长脉冲发展的重要因素.射频击穿的物理过程极其复杂,并且开展射频击穿研究对实验条件等要求高,因此粒子模拟是研究射频击穿的重要手段.通过在慢波结构表面设置爆炸发射电子和离子的方式模拟等离子体对一个 X波段的相对论返波振荡器(RBWO)和一个 Ka 波段的 RBWO 工作的影响.粒子模拟结果表明,对于分段式慢波结构,后段慢波结构产生等离子体会对电子束的调制造成影响,进而影响器件正常工作,引起微波功率下降.当等离子体由质量较轻的正离子和电子组成时,会对束波作用造成更大的影响,引起较大的输出功率下降.相同密度的射频击穿等离子体对Ka波段 RBWO 工作的影响大于对 X波段 RBWO 的影响.

摘要： Increasing the single pulse energy is always one of the development targets in high power microwave (HPM)do-main.Pulse shortening should be emphatically focused on and solved.Combining the classical theory and particle-in-cell simula-tion,a long-pulse C-band relativistic backward wave oscillator (RBWO)was designed and optimized.Using the space charge effect of the intense relativistic electron beam,the maximum field strength on the electrodynamic structure surface was no more than 700 kV/cm with about 3 GW output.Further,the related experiment was carried out based on the 700L high voltage pulse generator in our laboratory.As demonstrated by the studies,pulse shortening of the RBWO can be effectively suppressed at about 3 GW level through rational design.With a 760 keV,9.0 kA beam in the experiment,a 2.8 GW,4.23 GHz microwave was ob-tained in the far-field measurement.The pulse width was about 101 ns and the device efficiency was 41%.The experimental re-sult agrees well with that obtained in the simulation.%从抑制强场击穿的角度出发,结合传统理论和相关粒子模拟方法,设计并优化了工作于 C波段的长脉冲相对论返波管.模拟中,利用强流相对论电子束的空间电荷场效应,将3 GW功率水平下电动力学结构表面的最大发射电场控制在700 kV/cm 以下.利用实验室700L 脉冲功率驱动源平台开展了相关实验验证,实验结果表明,通过合理的结构设计,在功率3 GW级水平下,C波段相对论返波管中的脉冲缩短问题能够得到有效抑制.实验中,当工作电压760 kV、电流为9.0 kA 时,在4.23 GHz 频点处获得的输出微波功率为2.8 GW,微波脉冲半高宽约101 ns,功率转换效率约41%,实验结果与模拟结果吻合较好.

摘要： This paper studies a high efficiency X-band over-mode relativistic backward wave oscillator (RBWO),which is composed of a dual-cavity reflector,a 7-periods trapezoid SWS and extraction cavity.The ratio of D toλof the generator is 2.6, and the electron beam interacts with the TM01 nearπmode of the structure wave.In the SWS region the TM01 mode surface wave mainly transfers to the TM02 mode body wave,the primary mode of the output microwave is TM02 mode with the proportion 81％,and the remainder is TM01 mode.A method to design the resonant reflector under over-mode condition is proposed,a dual-cylindrical cavity reflector is optimized by using the mode-matching method,and the reflection coefficients for the TM01 and TM02 modes are larger than 0.99,hence good insulation between the SWS and the diode is achieved.Simultaneously,the longitudinal e-lectric field of the resonant reflector could pre-modulate the electron beam sufficiently,which would promote the beam-wave inter-action in the SWS.Furthermore,the transfer coefficient is increased by loading the extraction cavity after the SWS.Simulation results indicate that microwave output power of 6.6 GW is achieved,the diode voltage is 900 kV and beam current is 14.3 kA, and the transfer efficiency is 51％.%设计了一种X波段过模高效率相对论返波管(RBWO),主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔.该器件慢波结构的过模比为2.6,电子束与结构波TM01模的近π模相互作用,在慢波结构区域束波作用产生的TM01模表面波主要转化为TM02模的体波,其输出微波的模式主要为TM02模,占比为81％,其余为TM01模.提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路,结合模式匹配法,优化得到了一种双谐振腔反射器结构,其对TM01模与TM02模的反射系数均大于0.99,可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离;同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制,将促进慢波结构区域的束波作用,有利于提升效率.通过在慢波结构后端加入提取腔,进一步提升了转换效率.PIC仿真中,在二极管电压900 kV,电流14.3 kA,得到了6.6 GW的输出功率,转换效率约51％.

摘要： 起振电流和时间增长率是决定高功率微波振荡器起振过程的两个重要因素.本文针对相对论返波管中的时间增长率问题,从理论计算、数值模拟和实验三方面进行了研究.理论计算显示,在保持慢波结构参数不变的条件下,调整束流参数使波束互作用由两波相互作用向三波相互作用变化时,时间增长率会增大;但在三波相互作用发展到一定程度后,继续增大快慢空间电荷波的耦合可能导致时间增长率出现下降.PIC数值模拟给出的时间增长率变化规律在一定程度上验证了理论计算结果,但时间增长率数值与理论计算结果相比偏小,显示存在影响时间增长率的其他因素.结合实验研究发现,PIC数值模拟可以比较准确地给出相对论返波管的实际时间增长率值.同时,PIC数值模拟和实验研究都显示电压上升沿可能更多的是通过影响起振点而非时间增长率来影响相对论返波管的起振过程.

摘要： 强电磁场真空击穿可能导致结构破坏和等离子体形成,是限制高功率微波源高功率容量运行的主要因素.本文结合模拟和实验结果,分析了相对论返波管中发生强电磁场真空击穿的主要机理.研究指出,强场致发射电子轰击结构表面的“阳极”效应是引起强电磁场真空击穿的主要原因,强外加引导磁场在此过程中发挥了重要作用.为了抑制强电磁场真空击穿,文章提出了三个方面的可能解决方案.

摘要： 为了在低磁场下实现较高转换效率和较高功率容量的Ka波段高功率微波输出,本文结合谐振腔链与契伦柯夫产生器件提出了新型TM02模式相对论返波管.研究表明,TM02作为工作模式能够提高功率容量,顶端为半圆的新型矩形波纹能有效降低慢波结构表面场强,增强强流相对论电子束与微波场的耦合程度.慢波结构两端的谐振腔链显著提高波束作用转换效率.前端腔链有效阻止过模慢波结构中的微波泄露进入二极管区域,通过电子束流预调制加快起振.后端腔链促进电子束流能量提取,延迟起振.数值模拟在引导磁场1T、二极管电压电流520kV和2.4kA下获得功率514MW、效率41％的TM01模式输出,频率29.35GHz.

摘要： 实验研究表明在阴极面电子发射的不均匀性对相对论返波管的工作特性具有非常大的影响,本文采用三维共形全电磁PIC粒子模拟软件研究了阴极表面电子发射均匀性对X波段相对论返波管的影响,在同一个环形阴极电子发射面上实现了场致发射以及爆炸发射两种电子发射方式,并且在电子的场致发射方式中加入了电场局部增强因子,采用软件对X波段相对论返波管的高压二极管以及相对论返波管进行了模拟研究,分析了爆炸电子发射面积占阴极环面比例对高压二极管的影响,研究结果表明:当爆炸电子发射的有效面积较小时,局部场增强因子对高压二极管影响较大,爆炸电子发射的有效发射面积越大,产生的电流越大;不均匀的电子发射会降低器件的输出功率,导致器件无法正常起振.

摘要： 给出了一种基于梯形慢波结构的相对论返波管结构,并采用2.5维全电磁PIC粒子模拟软件对其前端注入锁相进行了模拟研究.注入功率从二极管区注入相对论返波管中,注入功率50kW,注入比-48.3dB时,返波管输出的相位抖动在±20°范围内,并拟合了返波管相位抖动与注入功率之间关系,给出了判断返波管相位抖动大小的经验公式.注入功率提高至120MW,注入比-14.5dB时,注入信号对相对论返波管输出的频率实现了牵引.

摘要： 对速调型相对论返波管慢波结构色散特性及束波相互作用进行了理论研究。色散特性研究表明：器件工作模式为TM01模，近π点，耦合阻抗较高。色散特性预测的工作频率与粒子模拟结果非常接近。慢波结构峰值增长率相对较小，这与电子束与慢波结构相距较大有关，因而器件从起振到饱和的时间较长。在束波相互作用理论中，全面考虑了电子束与慢波结构前向波基波、反向波一1次空间谐波及空间电荷场相互作用、谐振反射器对电子束进行的束流调制和能量调制作用，以及调制腔和提取腔处引入的耦合阻抗及轴向波数突变。稳态和非稳态计算结果均获得了超过40％的束波转换效率。

摘要： 本文给出了相对论返波管(Relativistic Backward Wave Oscillator,RBWO)高频结构表面微观凸起和毛刺等场增强因子对其功率容量的影响,结果分析表明,高频结构表面微观凸起和毛刺在高电场强度下会导致或增强器件表面场致电子发射,引发射频击穿而产生大量等离子体,等离子体对微波反射和吸收,会导致RBWO出现脉冲缩短,功率容量降低.文中研究了RBWO高频结构表面场增强因素对功率容量的影响和抑制方法,对一种X 波段RBWO进行了表面精密抛光处理,可以将器件表面粗糙度降低40倍以上,初步实验结果表明,抑制X波段RBWO表面结构场增强较之未处理可将功率容量提高20％以上.

摘要： 相对论返波管(RBWO)的调谐能力扩大了其应用领域.本文将从理论分析、PIC模拟、工程设计等方面介绍一种可在双波段三频点调谐的RBWO.这种RBWO具有一种新型的中空慢波结构,代替了传统RBWO的良导体慢波结构.可以通过改变填充在中空慢波结构中介质的浓度(介电常数)来实现调谐输出.PIC模拟结果显示其有三个稳定输出的频率点:6.9GHz,0.9GW;7.3GHz,1.1GW;10.0GHz,1GW.其慢波结构的介电常数分别为15.7,34.3和42.0.

摘要： 在带双预调制腔的速调型相对论返波管(RBWO)中,当二极管电压为770 kV,电流为9.5 kA时,其一次谐波电流达15.9 kA,相应电流调制系数为1.67,可产生微波功率5.1 GW,束波转换效率70％.但由于能量交换高度集中,双间隙提取腔表面电场很强,最大轴向电场达到2.26MV/cm.为降低其表面场强,我们提出一种带分布式能量提取的速调型RBWO.新增了一个同轴波导输出通道,在第一个提取腔中产生的微波主要经同轴波导输出,而在第二个提取腔中产生的微波主要经原有的圆波导输出.同时,调整了两个提取腔的尺寸,以调节两个输出通道的功率比例并进一步降低第二个提取腔的表面电场.此外,还减小了在提取腔区域的能量交换,并且相应增加了在第二段慢波结构区域的能量交换.利用带分布式能量提取的速调型RBWO,在相同的微波输出功率和转换效率条件下,提取腔表面最大轴向电场降至1.28 MV/cm,表明功率容量提高到原来的三倍.

摘要： 理论分析了引导磁场对收集极材料中电子运动的约束作用,推导了引导磁场作用下二次电子的逃逸条件,利用蒙特卡罗方法计算了引导磁场作用下电子束在收集极中的能量沉积规律.研究结果表明:引导磁场对电子在材料内部的运动约束作用很弱,对二次电子有强约束作用;大部分二次电子经拉莫回旋再次轰击在收集极上被收集,逃逸的二次电子沿引导磁场方向进入束波作用区;增大电子的入射角度时,束流密度的降低和二次电子的再次入射降低了收集极中电子的最大沉积能量密度,提高了收集极的耐电子轰击能力.

摘要： 本发明公开了一种可直接输出双频微波的双电子束相对论返波管，属于高功率微波器件技术领域。本发明采用同心双环形阴极和连接在一起的第一、第二高频结构，第一高频结构包括外导体预调制腔、外导体慢波结构和外电子束收集极，第二高频结构包括内导体预调制腔、内导体慢波结构、漂移段和内电子束收集极。同心双环形阴极发射出的两列电子束分别于内、外导体慢波结构发生束波作用，产生两种不同频率的TM01模式的电磁波，并且实现在整个器件内部的自然合成得到稳定的拍波。相较于已有的双频同轴相对论返波管，本发明中的内、外导体之间是直接连接在一起的，不需要额外设计内、外导体之间的支撑连接杆，器件结构简单，易于加工。

摘要： 为解决现有的低磁场双模工作相对论返波管因兼顾束波相互作用和模式控制而转换效率较低的技术问题，发明提供了一种高效率低磁场双模工作相对论返波管，包括环形阴极、磁场线圈、阴极反射环、依次设置在环形阴极后端的双预调制腔、双段非均匀慢波结构和输出波导；阴极反射环的内半径R0对TM01模截止，且满足R0＜0.382c/f；阴极反射环置于环形阴极内，且与环形阴极端部的距离L0满足λg1/2＜L0＜λg2，λg1和λg2分别为TM01模和TM02模的导波波长；双预调制腔包括两个半径不等的调制腔单元，其外半径分别为R1和R2，内半径分别为r1和r2，且满足1.25λ＜R2＜R1＜1.4λ，1.15λ≤r1,r2≤1.25λ，λ为微波波长；双段非均匀慢波结构由8‑10个慢波单元构成，其外半径和内半径分别为Rsn和rsn，且满足：1.3λ≤Rsn≤1.4λ,1.15λ≤rsn≤1.3λ。

摘要： 本发明提供了一种利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管，涉及高功率微波器技术领域，其包括返波管本体和固定于返波管本体一端的等离子体阴极电子枪，返波管本体置于引导磁场中，返波管本体内依次设置有截止颈段、布拉格结构、平滑漂移段和慢波结构，截止颈段邻近等离子体阴极电子枪设置，布拉格结构内形成有模式转换腔，慢波结构内形成有注波相互作用腔；等离子体阴极电子枪内设置有惰性气体腔和置于惰性气体腔内的放电电极，惰性气体腔上连接有惰性气体浓度控制机构。能够稳定的输出长脉冲的双频TE11模式高功率电磁波，解决了现有技术中的双频相对论返波管输出的高功率电磁波脉冲短且稳定性低的问题。

摘要： 为了提高相对论返波管的束波转换效率，本发明提高一种反馈增强的相对论返波管。包括返波管管体、环形阴极、谐振反射器、慢波结构、提取腔、输出波导和磁场线圈；还包括依次位于提取腔与输出波导之间的圆波导及波导腔；波导腔用于将部分输出微波反射至提取腔内；波导腔由两个梯形腔构成；波导腔的内半径分别为r1、r2、r3和R12；内半径r1和r2对TM03模截止；内半径r3和R12对TM01模导通，TM02模截止；圆波导的内半径R11对TM01模导通，对TM02模截止；圆波导的轴向长度L至少半个导波波长内可调，满足λg/2＜L，其中λg为TM01模的导波波长。通过改变圆波导的轴向长度可以有效调节微波反馈的相位，当反馈增强时可以增强提取腔内的工作场强，进一步实现更充分的电子束减速，提高器件束波转换效率。

摘要： 为了提高低磁场相对论返波管的束波转换效率，本发明提供一种束流群聚增强的低磁场相对论返波管。包括返波管管体、环形阴极、阳极、管头、谐振反射器、非均匀慢波结构、提取腔、输出波导和磁场线圈；阳极从前往后依次包括阳极漂移段、阳极腔前漂移段及阳极腔；管头为矩形管头；阳极腔前漂移段为沿返波管管体内壁周向设置的矩形截面环形凸起；阳极腔为沿返波管管体内壁周向开设的矩形截面环形腔体，位于矩形管头前侧，环形阴极后侧。本发明采用矩形管头结构代替原有的斜面管头结构，以在高电压脉冲注入时增强管头附近的局部径向电场；在管头前增加阳极腔，增强对低磁场束流包络的抑制，进而促进束流在射频场中的调制和群聚，有利于实现效率的提高。

摘要： 本发明涉及一种束流调控的高效率低磁场相对论返波管，包括环形阴极、返波管管体、输出波导及磁场线圈；返波管管体的内壁从前至后依次设有预调制段、束流调控结构、慢波结构和提取腔；束流调控结构为沿返波管管体内壁周向设置的环形突起，位于预调制段后侧，慢波结构第一个腔体的前侧，用于吸收原本将处于加速相位的电子，调控返波管管体内的轴向电流。本发明增加的束流调控结构在固定间隔时间通过吸收部分电子调控轴向电流，使得较大比例预计在慢波结构中处于加速相位的电子被束流调控结构所吸收，大幅促进束流在射频场中的调制和群聚，使得能量提取效率显著提高。

摘要： 本发明属于高功率微波技术领域，双模工作相对论返波管输出微波相位控制方法及结构，在双模工作相对论返波管磁体线圈的左侧增设信号注入结构，在磁体线圈的左侧形成注入通道和注入腔；从注入通道注入注入信号，注入信号经注入腔向环形阴极传输，对环形阴极的电子发射进行调制，进而控制输出微波的相位，进一步提高双模工作相对论返波管输出微波功率。信号注入结构为同轴波导，包括内导体和外导体，位于双模工作相对论返波管磁体线圈的左侧，注入信号从从磁体线圈外侧经磁体线圈左侧端部注入，无需增加磁体的径向尺寸和长度，有利于减小磁体线圈的耗能。

摘要： 本发明涉及一种径向结构双电子束相对论返波管，其目的是解决现有相对论返波管相关器件存在难以满足当前对于高功率微波器件越来越高的输出功率要求的技术问题。本发明利用上、下阳极和高压二极管结构的阴极，以及上、下引导磁场产生装置，形成径向结构双电子束相对论返波管，该返波管为一种上下镜像对称结构，同时也是一种旋转对称结构。其上、下阳极采用相互平行且镜像对称设置的板状结构，二者之间的间隙，作为电子束‑电磁波通道a，采用高压二极管结构的阴极产生两条沿着径向传输的相对论电子束的双电子束的工作模式，相比单电子束，双电子束阴极能够通过将返波管的注入波功率提高一倍，将产生的电流提高一倍，从而提高返波管的输出功率。

摘要： 本发明公开了一种可直接输出双频微波的双电子束相对论返波管，属于高功率微波器件技术领域。本发明采用同心双环形阴极和连接在一起的第一、第二高频结构，第一高频结构包括外导体预调制腔、外导体慢波结构和外电子束收集极，第二高频结构包括内导体预调制腔、内导体慢波结构、漂移段和内电子束收集极。同心双环形阴极发射出的两列电子束分别于内、外导体慢波结构发生束波作用，产生两种不同频率的TM01模式的电磁波，并且实现在整个器件内部的自然合成得到稳定的拍波。相较于已有的双频同轴相对论返波管，本发明中的内、外导体之间是直接连接在一起的，不需要额外设计内、外导体之间的支撑连接杆，器件结构简单，易于加工。

摘要： 本发明提供了一种利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管，涉及高功率微波器技术领域，其包括返波管本体和固定于返波管本体一端的等离子体阴极电子枪，返波管本体置于引导磁场中，返波管本体内依次设置有截止颈段、布拉格结构、平滑漂移段和慢波结构，截止颈段邻近等离子体阴极电子枪设置，布拉格结构内形成有模式转换腔，慢波结构内形成有注波相互作用腔；等离子体阴极电子枪内设置有惰性气体腔和置于惰性气体腔内的放电电极，惰性气体腔上连接有惰性气体浓度控制机构。能够稳定的输出长脉冲的双频TE11模式高功率电磁波，解决了现有技术中的双频相对论返波管输出的高功率电磁波脉冲短且稳定性低的问题。