相对论返波管相位牵引研究

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1、相对论返波管相位牵引研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：工程物理系学科：核科学与技术研究生：邓昱群指导教师：刘国治教授二○一七年六月ResearchonPhaseControlofRelativisticBackwardWaveOscillatorDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinNuclearScienceandTechnologybyDengYuqunDi

2、ssertationSupervisorProfessorLiuGuozhiApril,2017摘要摘要相对论返波管（RBWO）具有高功率、高效率、适合重复频率运行的特点，是一类极具应用潜力的高功率微波(HPM)产生器件。如果能实现对RBWO输出微波的相位控制，对于进一步拓展RBWO的应用具有十分重要的意义。本论文对RBWO注入相位牵引技术进行深入的理论分析、数值模拟及实验研究，并通过实验，初步实现了利用百kW级注入信号对RBWO产生GW级HPM的相位牵引控制。论文的主要研究内容及结果如下：论文基于RBWO为振荡型微波产生器件的特征，建立了RLC振荡电路

3、模型，推导了起振过程中所满足的幅度和相位连续性方程，分析了影响相位牵引效果的主要因素。推导了相对论条件下电子束经过谐振反射腔后的群聚以及经过慢波结构时的能量交换公式，给出了RBWO起振所满足的振荡方程，并建立起与RLC振荡电路模型所给出振荡方程的关联性。针对RBWO结构特点，给出了一种微波同轴注入方案，并设计了一种矩形波导TE10模式到过模同轴波导TEM模式的模式转换器，解决了注入信号的高效注入，以及在结构中激励起场分布均匀性的技术难题。研究了影响输入腔与预调制腔对电子束调制效果的因素，给出两腔参数选择的方法。最终设计的注入结构在频率9.3GHz，两腔中

4、场幅度沿圆周分布不均匀性小于±1.6%，相位不均匀性小于±0.6°。通过2.5维粒子模拟，系统性地分析了各结构及工作等参数对RBWO状态的影响规律，给出一种通过调节慢波结构两端反射及谐振反射腔反射特性来抑制模型竞争的方法，实现了对主要竞争模式（纵向5π/7模和TM02模式）的抑制。开展了RBWO注入相位牵引数值模拟研究，分析了相位偏差的来源，系统性研究了注入信号及二极管电压参数对相位牵引效果的影响规律，对实验开展具有指导意义。在TPG2000脉冲驱动源平台上开展实验研究，实验中在未加注入信号条件下获得了在工作电压930kV，引导磁场3.57Tesla时，

5、输出微波脉宽31ns，功率3.2GW，效率约32%的实验结果。开展了注入相位牵引实验研究，实验比较了注入信号及二极管参数变化对RBWO输出微波相位的影响规律，实验结果与数值模拟中给出规律基本一致。最终在等频率注入210kW时，在脉冲平顶区间20ns范围内，相位抖动能够控制在±14°以内，连续6个脉冲间同时刻相位偏差小于13°。关键词：高功率微波；RBWO；相位牵引；等效电路模型；同轴注入IAbstractAbstractTherelativisticbackwardwaveoscillator(RBWO)isakindofhighpowermicrowa

6、vegenerationdevicewithhighpotential,highpowerandhighefficiency.IfwecanrealizethemicrowavephasecontrolofRBWOoutput,itisofgreatvaluetofurtherexpandtheapplicationofRBWO,suchaspowersynthesisandsoon.Inthispaper,thetheoreticalanalysis,numericalsimulationandexperimentalresearchontheRBWO

7、injectionphasetractiontechnologyarecarriedout,andthephasecontroloftheGW-levelHPMsignalgeneratedbytheRBWOisrealizedbyusingthekW-levelinjectionsignal.Themethodhastheadvantagesoflowinjectionpower,continuousphaseadjustmentandbettercontrolprecision,andiseasytoobtainhighpowerandefficie

8、ncy.Themainresearchcontentsandresultsare