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低磁场S波段相对论返波振荡器的工作特性

江佩洁 李正红 吴洋

江佩洁, 李正红, 吴洋. 低磁场S波段相对论返波振荡器的工作特性[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31: 033001. doi: 10.11884/HPLPB201931.190010
引用本文: 江佩洁, 李正红, 吴洋. 低磁场S波段相对论返波振荡器的工作特性[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31: 033001. doi: 10.11884/HPLPB201931.190010
Jiang Peijie, Li Zhenghong, Wu Yang. Operating characteristics of an S-band relativistic backward wave oscillator with low magnetic field[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 033001. doi: 10.11884/HPLPB201931.190010
Citation: Jiang Peijie, Li Zhenghong, Wu Yang. Operating characteristics of an S-band relativistic backward wave oscillator with low magnetic field[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 033001. doi: 10.11884/HPLPB201931.190010

低磁场S波段相对论返波振荡器的工作特性

doi: 10.11884/HPLPB201931.190010
基金项目: 

国家自然科学基金项目 61271109

详细信息
    作者简介:

    江佩洁(1994—), 女,硕士研究生,从事高功率微波器件方面的研究; jiangpeijie@yeah.net

    通讯作者:

    李正红(1968—), 男,研究员,从事高功率微波器件方面的研究; lzhaa_@163.com

  • 中图分类号: TN122

Operating characteristics of an S-band relativistic backward wave oscillator with low magnetic field

  • 摘要: 为了实现高功率微波发生器的小型化,开展了S波段低磁场相对论返波振荡器工作特性的研究工作。由于S波段返波振荡器频率低,对应的电子回旋共振磁场强度也很低,因此低磁场条件下面临着电子束传输效率低和束波互作用效率低两大问题。为解决上述问题,采取下列措施:通过加大电子束与器件内壁的距离,提高电子束传输效率;采用较深的慢波结构作为提取腔,实现高束波互作用阻抗;提取腔前采用浅深度慢波结构,使提取腔区域的电子速度与微波相速同步。粒子模拟证明,以上措施有效,在引导磁场强度仅为0.17 T、电子束电压435 kV、电流6.5 kA的条件下,该返波管获得功率为670 MW、效率约为25%的输出微波。相对于常规S波段相对论返波振荡器的磁场系统(B=0.8 T),适用于该返波管的0.17 T低强度磁场系统螺线管外半径下降了20%,能耗下降了约93.8%。
  • 图  1  低磁场相对论返波振荡器示意图

    Figure  1.  Schematic of the RBWO with low guiding magnetic field

    图  2  输出微波功率随引导磁场强度变化

    Figure  2.  Output power versus guiding magnetic field

    图  3  阴阳极间距对输出微波功率及电子传输效率的影响

    Figure  3.  Output power and efficiency of electrons transmission vs distance between cathode and anode

    图  4  电子动能相空间图

    Figure  4.  Phase space plot

    图  5  模拟使用的三种不同慢波结构

    Figure  5.  Different SWSs used in simulation

    图  6  不同慢波结构的RBWO的输出微波功率

    Figure  6.  Output power vs time for RBWO with different SWSs

    图  7  输出微波波形

    Figure  7.  Waveforms of output microwave

    图  8  输出微波功率及其包络曲线

    Figure  8.  Output power and envelop curve

    图  9  输出微波频谱

    Figure  9.  Spectrum of electric field at output port

    图  10  基于超级电容的脉冲磁场简化电路

    Figure  10.  Simplified circuit of magnetic field based on supercapacitor

    图  11  电容初始充电电压与螺线管外半径的关系

    Figure  11.  Initial voltage versus outer radius of solenoid

    图  12  电容初始充电电压与电容值的关系

    Figure  12.  Initial voltage versus capacitance

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-14
  • 修回日期:  2019-02-22
  • 刊出日期:  2019-03-15

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