强激光与粒子束
2023, 35(7): 073002
1 中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院 研究生院, 北京 100088
为了实现高功率微波发生器的小型化, 开展了S波段低磁场相对论返波振荡器工作特性的研究工作。由于S波段返波振荡器频率低, 对应的电子回旋共振磁场强度也很低, 因此低磁场条件下面临着电子束传输效率低和束波互作用效率低两大问题。为解决上述问题, 采取下列措施: 通过加大电子束与器件内壁的距离, 提高电子束传输效率; 采用较深的慢波结构作为提取腔, 实现高束波互作用阻抗; 提取腔前采用浅深度慢波结构, 使提取腔区域的电子速度与微波相速同步。粒子模拟证明, 以上措施有效, 在引导磁场强度仅为0.17 T、电子束电压435 kV、电流6.5 kA的条件下, 该返波管获得功率为670 MW、效率约为25%的输出微波。相对于常规S波段相对论返波振荡器的磁场系统(B=0.8 T), 适用于该返波管的0.17 T低强度磁场系统螺线管外半径下降了20%, 能耗下降了约93.8%。
高功率微波 相对论返波振荡器 低引导磁场 特殊慢波结构 电子回旋共振 high power microwave relativistic backward wave oscillator low guiding magnetic field special slow wave structure electron cyclotron resonance 强激光与粒子束
2019, 31(3): 033001
中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
设计了一种非浸没式小型化轴向无箔二极管, 其阴极发射区位于螺线管中心孔以外, 采用螺线管、永磁体和软磁体构成的复合引导磁场系统。采用CST优化设计二极管结构, 使其满足800 kV电压下绝缘要求; 优化设计磁场系统结构及物理参数, 使其满足引导强流相对论电子束高效率传输的要求。采用粒子模拟（PIC）软件仿真电子束产生及传输过程, 验证其高传输效率。设计的阳极筒直径比原结构缩小约40%, 在产生同样均匀区轴向磁场强度情况下, 引导磁场重量和功耗比原结构降低约40%, 仿真结果显示主引导磁场0.85 T下, 8 kA电流能够实现100%传输效率。
无箔二极管 小型化 非浸没式 复合引导磁场 传输特性 foilless diode miniturization non-immersion composite guide magnetic field transmission characteristic 强激光与粒子束
2018, 30(10): 103002
中国工程物理研究院 应用电子学研究所 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621999
针对高功率微波(HPM)源的引导磁场需求, 设计并研制了一套基于超级电容储能方式的秒级脉冲磁场系统。首先简要说明了基于超级电容储能方式磁场系统的基本原理和计算方法, 接着详细讨论了超级电容磁场电源设计和对应的螺线管磁场线圈设计, 最后通过模拟和实验验证了储能型磁场系统可以输出秒级磁场脉冲, 满足高功率微波磁场需求。结果显示, 超级电容脉冲磁场输出稳定, 磁场位形较好, 比较适宜于高功率微波源系统的外加磁场系统。最后分析了设计和仿真过程中的问题并展望了此类技术的应用前景。
超级电容 引导磁场 秒级磁场 励磁电源 supercapacitor guiding magnetic field pulse magnetic excitation source 太赫兹科学与电子信息学报
2017, 15(6): 1004
1 西南科技大学理学院，四川绵阳 621010
2 中国工程物理研究院高功率微波技术重点实验室，四川绵阳 621999
为了实现高功率微波(HPM)系统小型化，结合传统低磁场相对论返波管振荡器(RBWO)的设计理论，设计一个Ku 波段较低磁场的相对论返波振荡器。分析束压、束流、引导磁场等对输出微波的影响，并采用粒子模拟软件(PIC)优化结构。当轴向引导磁场为0.4 T，电子束束压和束流分别为600 kV 和7 kA 时，得到频率为13.08 GHz，功率为1.0 GW 的微波输出。在强流电子束加速器平台上开展实验验证模拟结果：外加磁场0.4 T 时，得到平均功率为850 MW、频率13.05 GHz、脉宽24 ns 的微波输出。该实验结果为实现较低磁场GW 级微波输出打下了良好的基础。
相对论返波管 Ku 波段 低引导磁场 Relativistic Backward Wave Oscillator Ku-band low guiding magnetic field 太赫兹科学与电子信息学报
2015, 13(1): 80
西南交通大学 物理科学与技术学院, 成都 610031
对径向电子束在浸没式聚焦条件下的传输特性进行了理论分析, 得到了束流传输过程中轴向扩张幅值与外加引导磁场强度之间的解析表达式。阐述了螺线盘在空间中任意一点产生磁场的理论, 给出了通以相反方向电流的螺线盘之间磁场的分布规律。设计了一种基于螺线盘聚焦径向电子束的引导磁场系统, 并对电子束的传输特性进行了仿真研究, 结果表明径向电子束能够在设计的引导磁场系统下实现束流的稳定传输。
径向电子束 引导磁场 螺线盘 传输特性 radial beam guiding magnetic field plane coils transmission characteristic 强激光与粒子束
2015, 27(1): 013001
中国工程物理研究院应用电子学研究所,高功率微波技术重点实验室,四川绵阳621900
基于低磁场返波管振荡器的工作原理,设计了一个捷变频相对论返波管振荡器,该器件由两段对电子束参数要求基本一致的慢波结构串接而成,通过调节引导磁场强度实现器件频率的调节,使其分别工作于C波段和X波段。在电子能量和束流分别为670keV和8kA的条件下,当引导磁场强度为0.5T时,采用2.5维PIC程序模拟得到频率为6.28GHz、功率为1.0GW 的微波输出;而当引导磁场强度为0.8T时,得到频率为9.25GHz、功率为0.75GW 的微波输出。
捷变频 返波管振荡器 引导磁场 高功率微波 frequency-agile backward wave oscillator guiding magnetic field high power microwave 强激光与粒子束
2014, 26(12): 123001
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。
相对论返波管 电子束收集极 引导磁场 能量沉积 relativistic backward-wave oscillator electron collector guiding magnetic field energy deposition 强激光与粒子束
2014, 26(6): 063010
国防科学技术大学 光电科学与工程学院,长沙 410073
设计了一种无外加引导磁场S波段相对论返波振荡器,采用阳极网提取电子,并设计了非均匀慢波结构。通过Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。典型模拟结果为:当二极管工作电压330 kV、电流2.83 kA时,器件在频率2.79 GHz处获得较高的微波输出,经27 ns后饱和,输出微波的功率达158 MW,效率约为16.8%。
高功率微波 引导磁场 相对论返波振荡器 慢波结构 粒子模拟 high power microwave guiding magnetic field relativistic backward wave oscillator slow-wave structure particle-in-cell simulation
针对基于SOS脉冲功率源S-5N的输出特点,利用PIC数值模拟软件,为S-5N设计了能够工作在低引导磁场条件下的无箔二极管系统,并在S-5N脉冲功率源上进行了低引导磁场环形强流电子束产生的实验研究.在引导磁场为0.5 T条件下,无箔二极管电流输出波形近似为梯形波,脉冲上升沿约9 ns,平顶部分约26 ns,二极管电压420 kV,电流2.7 kA,束斑平均半径约16 mm,具有良好的均匀性.
无箔二极管 强流环形电子束 低引导磁场 Foilless diode Annular electron beam Low guiding magnetic field
