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速调管放大器输入腔的匹配理论和模拟研究

何琥 李士锋 刘振帮

何琥, 李士锋, 刘振帮. 速调管放大器输入腔的匹配理论和模拟研究[J]. 强激光与粒子束, 2024, 36: 103004. doi: 10.11884/HPLPB202436.240226
引用本文: 何琥, 李士锋, 刘振帮. 速调管放大器输入腔的匹配理论和模拟研究[J]. 强激光与粒子束, 2024, 36: 103004. doi: 10.11884/HPLPB202436.240226
He Hu, Li Shifeng, Liu Zhenbang. Matching theory and PIC simulation for klystron input cavity with microwave beam[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2024, 36: 103004. doi: 10.11884/HPLPB202436.240226
Citation: He Hu, Li Shifeng, Liu Zhenbang. Matching theory and PIC simulation for klystron input cavity with microwave beam[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2024, 36: 103004. doi: 10.11884/HPLPB202436.240226

速调管放大器输入腔的匹配理论和模拟研究

doi: 10.11884/HPLPB202436.240226
基金项目: 国家自然科学基金项目(62301519);高功率微波技术重点实验室基金项目(JCKYS2021212013,61426050105)
详细信息
    作者简介:

    何 琥,783803749@qq.com

  • 中图分类号: TN62

Matching theory and PIC simulation for klystron input cavity with microwave beam

  • 摘要: 基于输入微波与腔体耦合的等效电路模型,对于任意的腔体和电子束参数,建立了任意的输入微波与腔体耦合的速调管放大器输入腔的两种匹配状态的理论。建立了带有互感和电子束等效电阻和电容等参数的输入腔等效电路模型,推导了入射功率与反射功率的表达式,以及输入微波与带有电子束的输入腔耦合的完全匹配状态和任意的耦合这两种情形时输入功率和间隙电压关系的公式。推导了完全匹配状态时输入微波工作频率与输入腔有载品质因数的表达式。推导了复耦合系数等于1时输入腔外观品质因数与热腔品质因数的表达式,得出了当工作频率等于输入腔谐振频率,输入腔外观品质因数与热腔品质因数相等,且满足电子束等效电容远小于1时接近达到匹配状态,与传统理论基本一致。通过对比两种状态时的入射功率,得出了匹配状态时的入射功率小于复耦合系数等于1时入射功率的结论。通过对比复耦合系数等于1时新理论和传统理论的入射功率,得出不考虑电子束等效电容情况下两者相等的结论。采用二维粒子模拟的模型与匹配理论进行了对比,粒子模拟与理论基本一致。根据匹配理论找到了接近匹配状态的工作频率与有载品质因数以及较小的输入功率。
  • 图  1  输入腔等效电路图

    Figure  1.  Equivalent circuit model of a klystron input cavity

    图  2  带有微波注入和电子束的速调管输入腔示意图

    Figure  2.  Schematic of a klystron input cavity with input microwave and beam

    图  3  间隙电压与工作频率关系图(注入功率69.05 kW)

    Figure  3.  Gap voltage versus frequency

    图  4  输入功率与工作频率关系图(间隙电压13.3 kV)

    Figure  4.  Input microwave power versus frequency

    图  5  输入功率与有载品质因数关系图(间隙电压13.3 kV)

    Figure  5.  Input microwave power versus externally-loaded quality factor (Q1)

    图  6  复耦合系数与工作频率关系图

    Figure  6.  Complex coupling coefficient versus frequency

    图  7  互感M与工作频率关系图

    Figure  7.  Mutual inductance versus frequency

  • [1] 吴洋. 强流高增益相对论速调管放大器理论和实验研究[D]. 北京: 清华大学, 2012

    Wu Yang. Theoretical and experiment study on intense beam hign gain relativistic klystron amplifier[D]. Beijing: Tsinghua University, 2012
    [2] Wu Yang, Xu Zhou, Jin Xiao, et al. A long pulse relativistic klystron amplifier driven by low RF power[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2012, 40(10): 2762-2766. doi: 10.1109/TPS.2012.2210250
    [3] Wu Yankai, Xie H Q, Li Z H, et al. Gigawatt peak power generation in a relativistic klystron amplifier driven by 1 kW seed-power[J]. Physics of Plasmas, 2013, 20: 113102. doi: 10.1063/1.4828975
    [4] Carlsten B E, Ferguson P. Numerical determination of the matching conditions and drive characteristics for a klystron input cavity with beam[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 1997, 44(5): 894-900. doi: 10.1109/16.568055
    [5] Carlsten B E, Faehl R J, Fazio M V, et al. Beam-cavity interaction physics for mildly relativistic, intense-beam klystron amplifiers[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1994, 22(5): 730-739. doi: 10.1109/27.338289
    [6] Wilsen C B, Luginsland J W, Lau Y Y, et al. A simulation study of beam loading on a cavity[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2002, 30(3): 1160-1168. doi: 10.1109/TPS.2002.801623
    [7] Carlsten B E, Ferguson P, Sprehn D. Accuracy of the equivalent circuit model using a fixed beam impedance for klystron gain cavities[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1998, 26(6): 1745-1749. doi: 10.1109/27.747895
    [8] 丁耀根. 大功率速调管的理论与计算模拟[M]. 北京: 国防工业出版社, 2008: 73-75

    Ding Yaogen. Theory and computer simulation of high power klystron[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2008: 73-75
    [9] 何琥, 袁欢, 黄华. 相对论速调管放大器两腔束流调制的理论与模拟比较分析[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30:053009 doi: 10.11884/HPLPB201830.170375

    He Hu, Yuan Huan, Huang Hua. A comparison between a self-consistent nonlinear theory of current modulation and 2D particle in cell simulation in two-cavity RKA[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2018, 30: 053009 doi: 10.11884/HPLPB201830.170375
    [10] 何琥, 戈弋, 袁欢, 等. 三腔整管RKA相位的理论与模拟的比较分析[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32:103010 doi: 10.11884/HPLPB202032.200171

    He Hu, Ge Yi, Yuan Huan, et al. A comparison of phase between a nonlinear theory and 2D particle in cell simulation in three-cavity klystrons[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 103010 doi: 10.11884/HPLPB202032.200171
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-11
  • 修回日期:  2024-09-08
  • 录用日期:  2024-09-08
  • 网络出版日期:  2024-09-13
  • 刊出日期:  2024-10-15

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