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《x波段渡越管振荡器的粒子模拟和优化设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第16卷 第3期强激光与粒子束Vol.16,No.32004年3月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMar.,2004文章编号:100124322(2004)0320331205XX波段渡越管振荡器的粒子模拟和优化设计何 琥, 刘庆想(中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900) 摘 要:提出了一种新型的渡越管谐振腔结构,通过全电磁2.5维相对论粒子模拟程序证实电子束可以与这种谐振腔结构发生互作用;基于该谐振腔结构,用全电磁2.5维相对论粒子模拟程序设计优化了可工作在X波段的
2、渡越管振荡器,其输出功率大约1.7GW,束波转换效率约37%。 关键词:渡越管; 粒子模拟; 优化设计 中图分类号:TN62文献标识码:A[1] 电子束产生受激辐射机制大体可分为三大类,它们是契仑柯夫辐射、磁轫致辐射和渡越辐射。契仑柯夫辐射机制和磁轫致辐射机制都已得到较充分的开发和利用,例如利用契仑柯夫辐射的器件有磁控管、返波管、行波管和多波契仑柯夫振荡器等器件;利用磁轫致辐射的器件有回旋管、自由电子激光、电子自谐振脉塞和虚阴极振荡器等器件。利用渡越辐射机制的微波器件相对不多,目前只有渡越时间振荡器和速调管,其
3、中渡越时间振荡器由于效率较低,还没有走向实用,因此进一步开发利用渡越辐射机制是一个很有学术价值和实用价值的研究方向。 近年来由于高功率微波的研究和发展,推动了渡越辐射机制的开发和利用,美国海军实验室的强流相对论[2][3][4]速调管,圣地亚实验室的分离腔振荡器和超级后加速管(superreltron)都是这种辐射机制开发、利用的实例。[5～9] 渡越管振荡器是中国工程物理研究院近年来研发的一种高功率微波器件,它利用电子束在多腔谐振腔的渡越时间效应产生高功率微波,是渡越时间效应振荡器(TTO)、分离腔振荡器和超级
4、后加速管的进一步发展。前期的研究工作主要集中在L波段和S波段,束波转换效率大于20%。近期研究工作是将渡越管振荡器设计工作在X波段,由从俄罗斯引进的Sinus-700加速器驱动。本文首先给出X波段的渡越管谐振腔结构模型,然后研究电子与谐振腔结构的互作用,最后进行了X波段渡越管振荡器的数值模拟和优化设计。1X波段渡越管振荡器谐振腔结构模型 在L,S波段渡越管振荡器的研究中,我们曾采用过如图1所示的栅网隔膜结构谐振腔和图2所示的薄环隔膜结构。由于实验中采用环形电子束并希望能重复运行,所以栅网隔膜结构是不可取的。L波段薄
5、环隔膜结构谐振腔的薄环隔膜对于X波段而言已接近1/4波长,按照以前的理论分析,X波段谐振腔中的薄环隔膜的厚度应不大于1mm,所以,对高功率微波而言,这种薄环隔膜谐振腔也是不可取的。为此,我们提出了图3所示的谐振腔结构。该谐振腔Fig.1Schematicoftheresonantwith(N-1)foils图1 栅网隔膜结构谐振腔示意图仍然由多个谐振腔单元组成,每个谐振腔单元的腔长约1/4波长,两谐振腔单元之间相距也约1/4波长。以圆柱腔中TM010模的谐振频率与腔半径的关系为基础,取图3所示的R1为1.5cm,R2
6、为1.1cm。 我们用2.5维全电磁粒子模拟程序NOM研究了在没有耦合输出的条件下,电子束与这种谐振腔的相互作用。由于我们在从俄罗斯引进的Sinus2700加速器上开展X波段渡越管振荡器的实验研究,因此,我们取电子束能量为760keV,束流为6kA,引导磁场为2.5T,电子束半径为1.9cm,束环厚度为2mm。电子束与三X收稿日期:2003202209;修订日期:2003210222基金项目:国家863计划项目资助课题作者简介:何 琥(1974—),男,博士,助研,从事高功率微波研究;绵阳市91921015信箱。©
7、1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.332强激光与粒子束 第16卷Fig.2Schematicoftheresonantwith(N-1)ringsFig.3SchematicoftheX2bandresonant图2 薄环隔膜结构谐振腔示意图图3X波段渡越管振荡器谐振腔示意图腔和四腔单元组成的谐振腔互作用的计算结果分别示于图4和图5中。 由图4和图5可以看出电子束与这种结构的谐振腔场可以有效地相互作用
8、。三腔谐振腔中的互作用较弱,起振较慢,四腔谐振腔中的互作用适中。Fig.4Numericalsimulationofthethree2cavityresonant图4 三腔谐振腔的计算结果Fig.5Numericalsimulationofthefour2cavityresonant图5 四腔谐振腔的计算结果©1995-2005Tsinghua
