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1、第13卷 第4期强激光与粒子束Vol.13,No.42001年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2001文章编号:100124322(2001)0420471204①高功率微波脉冲压缩技术实验研究1,22222111宁 辉, 方进勇, 李 平, 刘静月, 刘国治, 肖利苓, 童德春, 林郁正(1.清华大学加速器实验室,北京100084;2.西北核技术研究所,陕西西安710024) 摘 要:建立了利用储能切换法实现微波脉冲压缩的实验装置并进行了实验研究。在输入脉冲功率为2
2、.7MW,脉冲宽度为1.4Ls的情况下,脉冲压缩功率增益近40,输出微波脉冲功率为106MW,脉宽为13～14ns。实验结果表明输出功率增益与气压和气体成分没有明显的联系,气体击穿的分散性可能是导致输出功率增益波动的主要原因。 关键词:脉冲压缩; 高功率微波; 微波击穿 中图分类号:TN015文献标识码:A 获得高功率微波脉冲的方式之一是将较低功率的长脉冲压缩为脉冲长度较短而峰值功率很高的脉[1]冲。目前主要有能量倍增器法(SLEDÊ),功率二进倍增法(BPC)和储能切换法(SES)三种方式。SLEDÊ方
3、式和BPC方式都是利用波导传输线储能,在储能阶段反射脉冲较小,储能效率很高。但是利用波导传输线储能要求波导的长度与微波脉冲在脉冲宽度时间内以群速传播的距离相当,储存宽度为微秒量级的微波脉冲能量需要长度为百米量级的波导传输线。这两种方式都是依靠调整输入脉冲的相位实现功率倍增,单级SLED2Ê方式的理论功率增益不超过9,单级BPC方式的理论功率增益不超过2。SES方式采用谐振腔储能,在储能阶段由于谐振腔的固有性质会产生较大的反射脉冲,储能效率比[2～8]采用传输线储能低,但是设备紧凑,输出功率增益高。美、英和前苏联
4、已经开展了多年研究,我们也开展了这方面的研究工作,建立了高功率微波脉冲压缩技术实验装置并获得了初步的实验结果。1 实验原理 储能切换法微波脉冲压缩技术原理如图1(a)所示,将微波能量注入谐振腔中,腔中场强逐渐增强。输出支路是波导H2T分支,H2T口中线距短路壁是1ö2导波波长的整数倍,在微波能量注入过程中,连接负载的输出端口处是电场节点,腔和负载的耦合几乎为零。开关位置在距波导短路端1ö4导波波长处,开关导通时该处形成等离子体区,开关处成为电场节点,此时在输出端口处电场幅值很高,腔与负载是强耦合,极短时间内微
5、波能量就从腔中泄放到负载中,输出脉冲的功率大于输入脉冲的功率。Fig.1Representativecircuitofpulsecompressionsystem图1 脉冲压缩技术原理图 由谐振腔的理论可以知道,对于固有品质因数确定的谐振腔,针对不同的输入脉冲宽度选择适当的①收稿日期:2001205230;修订日期:2001206219基金项目:国家863激光技术领域资助课题(863241027)作者简介:宁 辉(19692),男,在读博士,从事高功率微波技术研究,助理研究员;西安69226信箱。©1995-
6、2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.472强激光与粒子束第13卷输入耦合系数可以得到最大的储能效率。图2是当谐振腔的固有品质因数为8000时,谐振腔的储能效率与输入脉冲宽度及输入耦合系数的关系,横轴是脉冲宽度,纵轴是输入耦合系数,从图中可以看出,当输入脉冲宽度是1.4Ls时,取输入耦合系数B略大于1时,谐振腔的储能效率可以达到30%。 脉冲压缩实验装置的等效电路如图1(b),[5]输出支路等效为一并联电导G,从输入耦合端口到H2T口
7、中线的有效电长度是L1,从滑动短路面到H2T口中线的有效电长度是L2,从开关位置到H2T口中线的有效电长度是L3,其中L1和L2,是1ö2导波波长的整数倍,L3是1ö4Fig.2Energystorageefficiencyvsinput导波波长的整数倍。pulsewidthandcouplingcoefficient 假设输入脉冲是理想的矩形脉冲,功率为图2 储能效率与输入脉冲宽度及输入耦合系数的关系P,脉冲宽度为t,则输入波的电压VI=PZc,2bKg其中波导的特征阻抗Zc=377(K是输入波的自由空间波
8、长,Kg是输入波在BJ232波导中的导波波aK长,对于BJ232波导,a=72114mm,b=34104mm)。 开关处的最大电压K8Q0VIXt(1+B)Vmax=(1+1öB)1-e2Q0(1)KgnBP式中:Q0是谐振腔的固有品质因数;X是输入波的角频率;n=2(L1+L2)öKg。 开关导通时,开关所在位置为电压波节点,忽略开关导通的时间和开关导通引起的损耗,则开关导2通时
