根据同轴相对论返波管的特点建立了物理模型, 采用时域有限差分法研究了同轴相对论返波管中波束作用过程。研究表明:同轴相对论返波管中波束作用的输出效率与两端反射系数密切相关, 而且其内部场分布特点对于提高输出效率非常有利。经过优化设计, 利用 500 keV, 4.0 kA 电子束流, 微波起振时间为7 ns, 输出效率大于38%, 与以往数值模拟和实验结果符合较好。根据计算结果进一步分析得到, 与空心相对论返波管相比, 同轴相对论返波管中空间电荷效应的影响较小。
高功率微波 同轴相对论返波管 波束作用 输出效率 时域有限差分法 high power microwave coaxial relativistic backward wave oscillator wave-beam interaction output efficiency finite-difference time-domain method
研制了一套宽光谱探测系统，该系统包括紫外成像探测器和X射线成像探测器两个工作单元。利用该系统对高功率微波（HPM）源运行及聚四氟乙烯介质窗受微波场作用而发生击穿时实验环境中的紫外线和X射线进行了初步诊断。结果表明：HPM源运行参数为重复频率100 Hz，运行时间5 s，介质窗未发生击穿时，微波源二极管区产生的X射线剂量为9．28×102～1．64×103 Gy，介质窗发生击穿时，环境中X射线剂量为5．38×102～1．09×103 Gy；随着微波脉冲重复频率和运行时间的增加，产生的X射线剂量明显增加。此外，利用该系统证实了实验环境中紫外线的存在。
宽光谱成像探测系统 紫外线 X射线 介质击穿 高功率微波 broad spectra detection system ultraviolet ray X-ray dielectric breakdown high power microwave
1 西安电子科技大学 天线与微波技术国家重点实验室, 西安 710071
2 西北核技术研究所, 西安 710024
用耦合波理论分析了过模圆波导中不同模式之间的转换和波导弯曲半径之间的关系, 研制了弯曲角度为90°的过模圆波导弯头,设计了一种结构简单的TM01过模圆波导旋转结构。对圆波导弯头和旋转结构的高功率测试证明,它们在X波段功率容量均大于1 GW,微波传输效率均大于93％。在此基础上, 提出了一种组合式旋转关节, 该关节能够在方位和俯仰上实现360°旋转, 可应用于高功率微波的发射天线。
高功率微波 耦合波理论 旋转关节 波导弯头 high power microwave coupled wave theory rotary joint waveguide bend
1 西安交通大学 电子物理与器件教育部重点实验室,西安 710049
2 西北核技术研究所,西安 710024
40 GW重复频率脉冲驱动源是应高功率微波技术发展等需求而设计的一台基于Tesla变压器技术的重复频率脉冲功率装置。40 GW驱动源设计输出功率40 GW,脉宽60 ns,重复频率1~50 Hz,输出功率及重复频率工作状态在一定范围内可调。介绍了40 GW高功率重复频率脉冲驱动源的系统构成、电气及结构参数的确定方法、关键部件的工程工艺技术,并分析了关键绝缘部件的电场分布。已完成驱动源安装并进行了实验调试,其主要单元Tesla变压器的能量效率达到70%,驱动源单次工作状态下输出功率大于40 GW;50 Hz重复频率工作状态下,输出功率20.6 GW,系统工作稳定可靠。
脉冲功率技术 重复频率 Tesla变压器 高电压 强电流 pulse power technology repetitive frequency Tesla transformer high voltage intense current
1 西安电子科技大学 天线与微波技术国家重点实验室,西安710071
2 西北核技术研究所,西安 710024
通过对波束波导馈电卡塞格仑天线工作原理的分析,论述了波束波导在高功率微波辐射天线中的应用及设计方法,重点介绍了一套利用波束波导馈电高功率微波辐射天线。该天线利用由三面反射镜组成的波束波导对一个由两个抛物面镜组成的双反射面天线进行馈电,实现了波束的快速扫描。该天线工作在X波段时,功率容量大于1 GW,天线增益大于50 dB。
高功率微波 波束波导 卡塞格仑天线 多模喇叭 high power microwave beam waveguide Cassegrain antenna multi-mode horn
1 清华大学 特种能源研究所,北京 100084
2 西北核技术研究所,西安 710024
根据线性理论推导同轴相对论返波管色散方程和线性增长率,分别给出了波纹深度和波纹周期改变对于同轴相对论返波管线性增长率的影响规律,发现在一定范围内,减小波纹周期或者增大波纹深度能够降低结构波相速度,获得较大的线性增长率。
同轴相对论返波管 线性增长率 波纹周期 波纹深度 coaxial relativistic baorward-wave oscillator linear growth rate ripple period ripple depth
利用模式匹配方法对"冷"谐振腔反射器的反射特性进行了理论分析,推导出了谐振腔反射器的广义散射矩阵.对应用于X波段低磁场返波管的谐振腔反射器的反射特性进行了研究,并利用数值模拟软件分析了在全反射条件下谐振腔反射器中的电场分布.结果表明:当反射器的内外半径的选取合适时,反射器可以在较短的长度时获得较大的反射,而且反射系数对反射器长度的变化不敏感.
谐振腔反射器 模式匹配 相对论返波管 反射特性 强激光与粒子束
2007, 19(12): 2047
1 清华大学,工程物理系,北京,100084
2 西北核技术研究所,西安,710024
粒子模拟了电子碰撞空气产生的等离子体对同轴慢波结构高功率微波器件的影响,并且在充空气条件下对器件结构参数进行了进一步优化.模拟表明,气压越高,产生的二极管电流越大,二极管电压越低,频率越低.等离子体离子对电子束的空间电荷中和及等离子体电子对微波的能量吸收共同影响输出微波功率的大小.在一定的气压范围内,提高气压能够提高输出功率,此时等离子体离子对电子束的空间电荷中和起主导作用.气压高于一定值时,所产生的等离子体电子强烈吸收微波,输出功率迅速下降,甚至引起脉冲缩短.此外,由于等离子体的存在,器件最佳相互作用区长度以及最优端面反射系数均有可能发生改变.最后还对慢波结构周期数以及漂移段长度等进行了研究,优化的器件内、外导体周期数为11和8.5,慢波结构前端以及内外慢波结构末端分别接4, 17和2 mm的漂移段,在气压4 Pa下获得了1.64 GW的输出功率,效率39%.
高功率微波 同轴慢波结构 粒子模拟 等离子体
1 清华大学,工程物理系,北京,100084
2 西北核技术研究所,西安,710024
由于金属微凸起爆炸电子发射的预发射电流密度一般都超过108 A/cm2,因此必须考虑其空间电荷效应的影响.基于金属微凸起爆炸电子发射起始过程模型,通过理论分析和数值模拟,给出了考虑预发射电流空间电荷效应的微凸起爆炸发射延迟时间随二极管平均电场的变化关系.与不考虑预发射电流空间电荷效应的结果进行对比表明,预发射电流的空间电荷效应可以显著增加金属微凸起的爆炸发射延迟时间.
微凸起 爆炸电子发射 预发射电流 空间电荷效应 强激光与粒子束
2006, 18(10): 1699
谐振腔反射器到慢波结构输入端之间的漂移段长度对返波管效率有较大影响,文章对该影响进行了理论分析和数值模拟.结果表明:由于谐振腔反射器对电子束的预调制作用,返波管输出功率随漂移段长度的增加而呈现多峰值现象,在选取合适的漂移段长度时,可以显著提高其微波产生的效率.在SINUS-881加速器上开展实验,在引导磁场为0.7 T,漂移段长度为4.9 cm的条件下,实验获得了功率为700 MW,频率为8.7 GHz,脉宽20 ns的微波输出,效率约14%.实验研究证实了模拟结果的正确性.
高功率微波 相对论返波管 谐振腔反射器 漂移段 低磁场
