S波段多注相對(duì)論速調(diào)管放大器的初步研究.pdf

1、多注相對(duì)論速調(diào)管放大器(Multiple-Beam Relativistic Klystron Amplifier)利用多注強(qiáng)流相對(duì)論電子注并行工作，有利于降低空間電荷效應(yīng)，提高注波互作用效率，降低引導(dǎo)磁場(chǎng)強(qiáng)度，研究采用多注電子注的相對(duì)論速調(diào)管放大器對(duì)提高高功率微波器件的性能具有重要的意義。本論文通過理論分析和數(shù)值模擬，結(jié)合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)電子注形狀分別為扇形和圓形的兩種多注相對(duì)論速調(diào)管放大器進(jìn)行了模擬研究，并在扇形多注相對(duì)論速調(diào)管放大器

2、的實(shí)驗(yàn)中取得了功率為410MW的高功率微波輸出。
　　論文內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:
　　1.根據(jù)強(qiáng)流相對(duì)論電子注的特點(diǎn)，結(jié)合大功率速調(diào)管的設(shè)計(jì)理論，得到了多注相對(duì)論速調(diào)管放大器的總體設(shè)計(jì)要求。文中給出了多注相對(duì)論速調(diào)管放大器的主要技術(shù)指標(biāo)及其大致范圍，研究了影響多注相對(duì)論速調(diào)管放大器性能的主要因素，得到了電子注參數(shù)的設(shè)計(jì)考慮及其確定方法，并詳細(xì)分析了各個(gè)諧振腔的設(shè)計(jì)原則。
　　2.根據(jù)多注相對(duì)論速調(diào)管設(shè)計(jì)理論，通過模

3、擬計(jì)算，設(shè)計(jì)了一套電子注形狀為扇形的多注相對(duì)論速調(diào)管放大器（Fan-shaped Multiple-Beam Relativistic Klystron Amplifier）。利用數(shù)值模擬研究了各腔的高頻特性、電子注在群聚段的群聚過程和輸出腔中的微波提取過程，具體內(nèi)容包括:各個(gè)諧振腔中的模式分布和工作模式的諧振頻率、電場(chǎng)均勻性、品質(zhì)因數(shù)和特性阻抗;輸入微波的吸收與輸入腔高頻特性及電子負(fù)載的關(guān)系;電子注在通過輸入腔和中間腔后的基波電流分量

4、軸向分布以及雜頻電流分量的抑制方法;單間隙輸出腔中可能出現(xiàn)的射頻擊穿問題，采用雙間隙輸出腔的整管輸出微波功率及其隨聚焦磁場(chǎng)強(qiáng)度和輸入微波頻率的變化。在電子注電壓1MV、電子注電流20kA、輸入微波500kW、聚焦磁場(chǎng)1T的條件下，通過模擬設(shè)計(jì)得到了頻率2.88GHz、功率4.73GW的輸出微波，效率為23.6％。
　　3.利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬方法，對(duì)FMBRKA進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)中研究了各腔的高頻特性、束

5、流的產(chǎn)生及傳輸過程、電子在群聚段的群聚過程和輸出腔中的微波提取過程，具體內(nèi)容包括:各個(gè)諧振腔中的模式分布和工作模式的諧振頻率及品質(zhì)因數(shù);電子注在傳輸至不同位置處的電流和形狀;輸入微波的吸收與輸入腔高頻特性及電子負(fù)載的關(guān)系;電子注在通過輸入腔和中間腔后的基波電流分量以及雜頻電流分量的軸向分布;雙間隙輸出腔后輸出微波的頻譜和功率。重點(diǎn)研究了電子注在空間電荷力作用下旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的束流損失問題和電子負(fù)載變化對(duì)輸入微波吸收的影響。在電子注初始電壓、

6、電流分別為670kV、11kA，注入微波500kW，磁場(chǎng)1T的條件下，在實(shí)驗(yàn)中得到了功率為410MW的輸出微波。
　　4.針對(duì)FMBRKA實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的束流損失問題提出了將電子注和漂移管形狀改為圓形的解決方案，并進(jìn)一步完成了圓形多注相對(duì)論速調(diào)管放大器(Circular Multiple-BeamRelativistic Klystron Amplifier)的模擬設(shè)計(jì)。本文分析了FMBRKA實(shí)驗(yàn)中電子注在空間電荷力作用下旋轉(zhuǎn)的機(jī)理，

7、針對(duì)由此導(dǎo)致的束流損失問題提出了電子注及漂移管形狀和二極管結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案并進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，最終發(fā)展為圓形多注相對(duì)論速調(diào)管放大器。在圓形多注相對(duì)論速調(diào)管放大器的模擬計(jì)算中研究的具體內(nèi)容包括:電子注注數(shù)與腔體類型的選擇;輸入微波功率對(duì)輸入腔后基波電流分量軸向分布的影響;中間腔諧振頻率和中間腔前的電子注基波電流分量對(duì)腔后電子注基波電流分量軸向分布的影響;單間隙輸出腔前的電子注基波電流分量和輸出腔頻率對(duì)輸出微波功率的影響;雙間隙輸出腔在降低間隙