Ku波段低導(dǎo)引磁場過模Cerenkov型高功率微波振蕩器研究.pdf

1、Cerenkov型高功率微波（HPM）振蕩器由于其功率效率高、頻譜特性好、工作穩(wěn)定、作用機(jī)制簡單等特點(diǎn)，是目前最有潛力的高功率微波產(chǎn)生器件之一。Ku波段相比S、C和X等波段，頻率更高，對Pf2因子的提高具有很大的潛力，而目前該波段應(yīng)用于HPM器件的研究報道較少。Ku波段器件的尺寸較小，采用過模慢波結(jié)構(gòu)可有效提高器件的功率容量；但需要考慮由于采用過模結(jié)構(gòu)而可能引起的高階模式競爭。在此背景下，本文提出了一種Ku波段低導(dǎo)引磁場過模慢波結(jié)構(gòu)Ce

2、renkov型HPM振蕩器結(jié)構(gòu)，器件采用過模慢波結(jié)構(gòu)，設(shè)置漂移腔和漸變參數(shù)慢波結(jié)構(gòu)，以提高器件功率效率，并可以改善互作用區(qū)電場分布，減小最大表面電場，提高器件功率容量。該器件在較低的導(dǎo)引磁場條件下，實現(xiàn)了 GW級功率水平的準(zhǔn)單模輸出。
　　論文的研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　首先，利用解析方法、多項式展開方法以及有限元仿真方法對器件所采用的矩形波紋慢波結(jié)構(gòu)色散關(guān)系進(jìn)行求解，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對色散關(guān)系的影響。介紹了過模慢波器件

3、及其中的模式選擇問題，通過恰當(dāng)選取慢波結(jié)構(gòu)及電子束參數(shù)，可使器件工作點(diǎn)在TM01模π模點(diǎn)附近，此時器件Q值較高，工作模式的起振電流較小，容易被激勵；漂移腔、反射腔等腔體對器件內(nèi)的諧振頻率進(jìn)行篩選，實現(xiàn)模式選擇。
　　其次，應(yīng)用粒子模擬軟件對Cerenkov器件產(chǎn)生Ku波段HPM的機(jī)制進(jìn)行了研究。設(shè)計了Ku波段Cerenkov型HPM振蕩器的結(jié)構(gòu)，分析了電子束的空間分布與群聚、電流調(diào)制、微波功率與頻譜以及電磁場空間分布等物理圖像，研

4、究了加速器運(yùn)行參數(shù)和器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對輸出性能的影響，結(jié)果表明，漂移腔及漸變參數(shù)慢波結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有利于器件功率、效率水平的提升。在二極管電壓540 kV、電子束流5.8 kA、導(dǎo)引磁場0.6 T的條件下，獲得了功率為1.2 GW、頻率為13.80 GHz、功率效率約38％的微波輸出；輸出微波主模為TM01模，占全部輸出功率的95.1%；器件中最大表面電場強(qiáng)度為0.8 MV/cm。采用三維PIC粒子模擬和KARAT模擬對上述結(jié)果進(jìn)行比對，一致性

5、較好。
　　再次，對提出的Ku波段 Cerenkov型 HPM振蕩器開展了實驗研究。實驗在Torch-01強(qiáng)流相對論加速器平臺上開展。結(jié)果表明，二極管電壓為740 kV、電子束流為9.9 kA、導(dǎo)引磁場為0.8 T條件下，產(chǎn)生微波功率最高為1.1 GW、脈寬為24 ns，微波頻率單一性良好，中心頻率為13.76 GHz，主要模式為TM01模，功率效率為15%。器件具有穩(wěn)定的運(yùn)行能力，連續(xù)運(yùn)行30次工作，輸出微波功率為1.05±0.

6、05 GW，功率效率為14%±1%。對比研究了陰極發(fā)射材料對器件輻射高功率微波的影響，結(jié)果表明POCO石墨陰極和單層介質(zhì)-銅陰極工作較為穩(wěn)定，采用雙層介質(zhì)-銅陰極時器件輻射功率最高。對初期實驗中激勵的非旋轉(zhuǎn)對稱模式進(jìn)行了分析和判別，并采用增加二極管電壓、加大導(dǎo)引磁場以及更換陰極材料等方法對其進(jìn)行了有效抑制。
　　最后，對Ku波段Cerenkov型HPM振蕩器進(jìn)行了拓展模擬研究。將金屬膜片-支撐桿結(jié)構(gòu)引入Cerenkov型微波產(chǎn)生器

7、件，設(shè)計了一種類膜片慢波結(jié)構(gòu)，并分析了該類慢波結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系以及縱向模式分布。設(shè)計了類膜片加載慢波結(jié)構(gòu)的Cerenkov型HPM振蕩器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。模擬結(jié)果表明，在二極管電壓為540 kV、導(dǎo)引磁場強(qiáng)度0.6 T條件下，輸出功率約為1.0 GW、頻率為15.41 GHz，功率效率為30%。器件中表面電場強(qiáng)度較常規(guī)矩形波紋慢波結(jié)構(gòu)場強(qiáng)有所下降，其最大值為0.6 MV/cm，這對此類器件在高功率，長脈沖條件下運(yùn)行打下了基礎(chǔ)。論文最后對更高功率