X波段相对论返波管谐振反射器

X波段高效双频同轴相对论返波管粒子模拟唐永福;蒙林;李海龙;王彬;殷勇;张斐娜【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2012(24)10【摘要】An X-band dual-frequency coaxial relativistic backward-wave oscillator with a resonant reflector is proposed in this paper. The 2. 5-D fully electromagnetic particle-in-cell code simulation results indicate that, with an electron beam of 520 kV and 8. 5 kA guided by an axial magnetic field of 2. 35 T, an average power of 1. 35 GW with power conversion efficiency of 30. 5% is obtained and the two dominant frequencies are 9.41 GHz and 10. 29 GHz, respectively. Furthermore, the dual-frequency spectrum and the smaller dominant frequency demonstrate a periodic-like dependence on the drift waveguide, and a frequency agility bandwidth of about 400 MHz is acquired.%提出了一种能在X波段实现稳定双频输出的带有谐振反射器的高效率同轴相对论返波振荡器,并使用2.5维全电磁粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究.模拟结果显示:在电子束电压520 kV、电流8.5kA、轴向引导磁场2.35T的条件下,器件实现了9.41 GHz和10.29 GHz的稳定双频输出,平均输出功率为1.35 GW,波束互作用效率为30.5％.此外,双频频谱及双频中较小的频率随着漂移段的变化而准周期地变化,实现了带宽约400 MHz的频率捷变输出.【总页数】5页(P2415-2419)【作者】唐永福;蒙林;李海龙;王彬;殷勇;张斐娜【作者单位】电子科技大学物理电子学院,成都610054;电子科技大学物理电子学院,成都610054;电子科技大学物理电子学院,成都610054;电子科技大学物理电子学院,成都610054;电子科技大学物理电子学院,成都610054;电子科技大学物理电子学院,成都610054【正文语种】中文【中图分类】TN128【相关文献】1.单电子束双波段同轴相对论返波管粒子模拟 [J], 唐永福;蒙林;李海龙;张斐娜2.同轴结构多频相对论返波管的粒子模拟 [J], 刘丰;蒙林;张建国;李海龙;宋刚永3.带有反射腔的双频相对论返波管的粒子模拟 [J], 王辉辉;李海龙;蒙林;刘丰4.X波段高效率速调型相对论返波管研究 [J], 杨德文;陈昌华;史彦超;肖仁珍;滕雁;范志强;刘文元;宋志敏;孙钧5.同轴型相对论返波管的粒子模拟研究 [J], 文光俊;李家胤;刘盛纲;谢甫珍因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

073002-1第30卷第7期强激光与粒子束V o l .30,N o .7 2018年7月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S J u l .,2018 一种X 波段过模高效率相对论返波管*史彦超, 滕 雁, 陈昌华, 肖仁珍, 邓昱群, 杨德文, 王东阳, 孙 钧(西北核技术研究所高功率微波技术重点实验室,西安710024) 摘 要: 设计了一种X 波段过模高效率相对论返波管(R B WO ),主要结构包括双谐振腔反射器㊁7周期梯形慢波结构与提取腔㊂该器件慢波结构的过模比为2.6,电子束与结构波TM 01模的近π模相互作用,在慢波结构区域束波作用产生的TM 01模表面波主要转化为TM 02模的体波,其输出微波的模式主要为TM 02模,占比为81%,其余为TM 01模㊂提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路,结合模式匹配法,优化得到了一种双谐振腔反射器结构,其对TM 01模与TM 02模的反射系数均大于0.99,可实现过模条件下R B WO 慢波结构与二极管区的良好隔离;同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制,将促进慢波结构区域的束波作用,有利于提升效率㊂通过在慢波结构后端加入提取腔,进一步提升了转换效率㊂P I C 仿真中,在二极管电压900k V ,电流14.3k A ,得到了6.6GW 的输出功率,转换效率约51%㊂ 关键词: 高功率微波; 相对论返波管; 过模; 谐振反射器中图分类号: T N 125; T N 122 文献标志码: A d o i :10.11884/H P L P B 201830.170491R B WO 具有较高的输出功率和转换效率,且可以重复频率工作,是最有潜力的H P M 器件之一,因此得到广泛研究[1-2]㊂早期R B WO 采用截止颈作为反射结构,电子束的调制和束波能量转换集中在慢波结构区域,其转换效率约为33%[3-4];受截止颈的限制,其慢波结构过模比一般小于1.0,因此功率容量较低,X 波段输出功率为1~3GW ㊂通过在R B WO 中引入谐振反射器,可以反射微波,并对电子束起到预调制的作用,将转换效率提升到大于40%[5-8];同时谐振反射器允许器件在更高过模比下工作,单模条件下过模比可增加到最高约1.7,因此输出功率提升到3GW 以上㊂进一步增加过模比,R B WO 内部可同时存在多个模式[9],不同模式在波导不连续位置相互转化,导致R B WO 内部模式不纯净,谐振反射器难以良好反射各个模式的微波㊂本文提出一种X 波段过模R B WO ,所采用的双谐振反射器可以良好地反射T M 01与T M 02模式微波,且对电子束进行充分的预调制,结合提取腔对电子束能量进行再提取,具有较高的转换效率,输出微波模式为T M 01模与T M 02模的混合模,效率为51%㊂F i g .1 S c h e m a t i c o f t h eR B WO 图1 R B WO 结构示意图1 R B W O 的结构与色散曲线该R B WO 的结构如图1所示,前端的爆炸发射阴极产生环形强流相对论电子束;电子束在双谐振反射器位置被纵向电场预调制,同时谐振反射器反射反向传输的微波,隔离二极管区域与慢波结构区域;在慢波结构区域电子束与结构波发生束波作用产生微波;提取腔对电子束的能量起到再提取的作用㊂该器件采用2.6倍过模梯形慢波结构,慢波结构平均半径为39.5mm ,电子束外半径为36mm ,内半径35.5mm ㊂图2给出了T M 01模与T M 02模的色散曲线㊁光速线及速度为0.91c 的电子束D o p p l e r 线㊂考虑到慢波结构内的电磁波到输出波导的模式转化,给出了R B WO 输出波导的T M 01模与T M 02模的色散曲线㊂根据图2,电子束D o p p l e r 线与T M 01模色散曲线的交点位于π模左侧,并接近π模,相应的频率约为10.1G H z ,电子束与近π模的基波同步产生束波作用,此时基波为表面波㊂由于T M 02模式的体波在半径较大的位置存在极大值,而表面波在半径大的位置场强较高,因此在慢波结构区域,经过束波作用放大后的T M 01模表面波,受到有限长慢波结构两端边界的影响,倾向于转化为慢波结构的T M 02模体波,也就是图2中的A 过程㊂*收稿日期:2017-12-01; 修订日期:2018-01-29作者简介:史彦超(1986 ),男,助理研究员,主要从事高功率微波技术研究;s h i ya n c h a o @n i n t .a c .c n ㊂073002-2F i g.2 D i s p e r s i o n l i n e a n d e l e c t r o nD o p p l e r l i n e图2色散曲线与电子束D o p p l e r线从图2可看出,慢波结构区的T M02模体波与直波导的T M02模其群速度㊁相速度接近,且场分布类似,因此在慢波结构两端连接的波导位置,慢波结构T M02模的体波主要转化为直波导内的T M02模式,即图2中的B过程㊂但由于波导的不连续性,还存在一定的T M01模成分㊂这种混合模式为谐振反射器的设计带来困难,谐振反射器需要同时反射T M01模与T M02模㊂2过模条件下的双谐振反射器设计谐振反射器用于反射微波以隔离二极管区与慢波结构区,并对电子束进行预调制㊂在过模情况下,单个谐振腔的反射系数较低,一般需要多个谐振腔组成腔链对微波进行反射㊂在该R B WO中,传输进入到谐振反射器的微波模式为T M01模与T M02模的混合模式㊂对于谐振反射器而言,需同时反射这两种模式,以实现二极管区与慢波结构区的隔离㊂这里提出一种过模谐振反射器设计方法,结合模式匹配法快速寻找优化结构参数[10],设计出的双圆柱形谐振反射器,可同时反射两个模式,且反射系数接近于1㊂首先针对单个圆柱形谐振腔进行参数优化,寻找反射系数较大值点㊂由于过模圆柱形谐振腔对T M01模式反射较为困难,而对更接近截止的高次模式其反射系数较高,因此分析计算对T M01模的反射系数㊂运用模式匹配法,计算得到10.1G H z下圆柱形谐振腔的T M01模S11参数随谐振腔半径R与宽度L的变化关系,谐振腔两侧漂移段半径为38.5mm,结果如图3所示㊂根据图3,过模条件下单个圆柱形谐振反射器对T M01模式的反射系数较低,不超过0.5,因此为实现较高的反射系数,需要采用多个谐振腔组成腔链㊂本文采用参数一致的两个圆柱形谐振腔组成腔链,单个圆柱形腔的结构参数取图3中对T M01模S11参数的较大值点㊂从图3可看出,主要存在两个区域的S11参数接近于0.5,其中A区范围较大㊁B区范围极小㊂研究表明,若某个区域的S11参数随结构参数变化剧烈,其构成的谐振腔品质因数与场强较高,且反射带宽较窄,不适合作为R B WO的谐振反射器;反之,若其S11参数随结构参数变化平缓,则一般情况下其品质因数与场强较低,反射带宽较宽㊂因此放弃选取B区域内的参数,而选取A区域S11参数变化平缓区域相对中心的一个点作为单个谐振腔的参数,其位置如图3箭头所示,T M01模的S11参数为0.43㊂F i g.32Df i g u r e o f S11p a r a m e t e rw i t h R a n d L i n c y l i n d r i c a l c a v i t y图3圆柱形谐振腔TM01模S11参数随谐振腔半径R与谐振腔宽度L的二维图F i g.4S11p a r a m e t e r v s d i s t a n c eb e t w e e n t w oc a v i t i e s i n t h e r e f l e c t o r图4双谐振腔反射器S11参数随两腔间距d变化曲线图4是两个该参数的谐振腔组成腔链之后,其T M01模S11参数与TM02模S11参数随腔间距d的变化关系㊂在d=24mm时,其TM01模S11参数与T M02模S11参数均大于0.99㊂图5给出了该双谐振腔反射器T M01模S11参数与T M02模S11参数随频率的变化关系,该反射器对T M01模反射系数大于0.9的带宽为270 MH z,对T M02模反射系数大于0.9的带宽为330MH z,基本满足R B WO需求㊂图6给出T M01模与T M02模入射条件下,模式匹配法计算得到的双谐振腔内电子束所在位置的E z场分布,注入功率为0.5W㊂考虑到进入谐振反射器的模式主要为T M02模,因此主要关注T M02模式的场,两个谐振腔区域分别存在纵向电场的极大值,其间距约为46mm㊂电子束经过两个谐振腔内间隙电场的预调制,将强激光与粒子束073002-3 形成良好的群聚,从而促进电子束在慢波结构内的束波作用,提升转换效率㊂F i g .5 S 11p a r a m e t e r s v s f r e q u e n c y o f d u a l -r e c t a n g u l a r c a v i t y r e f l e c t o r 图5 双谐振腔反射器S 11参数随频率变化曲线 F i g .6 E z f i e l dd i s t r i b u t i o no f d u a l -r e c t a n g u l a r c a v i t y r e f l e c t o r 图6 双谐振腔反射器内E z 场分布3 P I C 仿真与提取腔的加入采用前述双谐振腔反射器及7.5周期梯形波纹慢波结构,在二极管电压为900k V ㊁电流为14.3k A ㊁引导磁场强度为4.0T 的条件下进行结构优化㊂通过调节谐振反射器到慢波结构的距离,并对慢波结构做一定的非均匀处理,得到了6.0GW 的输出功率,转换效率为47%㊂图7是R B WO 的电子束相空间图㊂可以看出,在慢波结构位置,存在明显的电子束减速过程,部分电子交出能量,微波功率得到放大㊂然而在慢波结构末端,部分电子进入加速相位,其速度大大增加,将吸收微波场能量,导致器件转换效率降低㊂可在慢波结构末端适当位置加入提取腔,对前述高能电子进行减速,以提升转换效率㊂从图8可以看出,提取腔的加入,使得部分电子被加速获得的能量减小,慢波结构末端高能电子动能明显降低,因此转换效率得到提升㊂此时R B WO 的输出功率为6.6GW ,转换效率约51%㊂图9为加载提取腔前后的输出功率曲线,该R B WO 在约20n s 输出功率达到饱和㊂图10为加入提取腔后器件输出微波的频谱图,可看到其频谱较为纯净,无明显模式竞争㊂F i g .7 P h a s e s p a c e p l o t s o f e l e c t r o n s i nR B WO w i t h o u t e x t r a c t i o n -c a v i t y 图7 R B WO 电子束相空间图-无提取腔 F i g .8 P h a s e s p a c e p l o t s o f e l e c t r o n s i nR B WO w i t he x t r a c t i o n c a v i t y 图8 R B WO 电子束相空间图-带提取腔F i g .9 P l o t o f o u t p u t p o w e r v s t i m e f o r t h eR B WO 图9R B WO 输出功率曲线F i g .10 F r e q u e n c y s pe c t r u mo fm i c r o w a v ef o r t h eR B WO 图10 R B WO 输出微波频谱图史彦超等:一种X 波段过模高效率相对论返波管由于该器件输出微波为T M01与TM02的混合模,对加入提取腔前后R B WO输出微波两个模式所占的比例进行分析㊂图11是R B WO内部无提取腔与带提取腔条件下的E z场分布㊂可以看出,器件慢波结构区域的场分布主要满足T M02模体波特征,参与束波作用的T M01模表面波由于其场强较低,基本分布于慢波结构表面,与T M02模体波叠加,造成慢波结构表面的场分布发生改变㊂双谐振腔反射器主要反射T M02模,输出波导也以T M02模为主,基本满足前述理论分析结果㊂提取输出波导的E z场,运用傅里叶-贝塞尔变换,可求得T M01与T M02模占总功率的比例㊂图12为R B-WO无提取腔与带提取腔情况下,输出波导某位置某时刻的E z场r向分布的瞬时值及对其进行模式分析得到的结果㊂需说明,由于T M01,T M02模式存在一定相差,且在波导内纵向相移常数不同,因此各模式不同时刻与不同位置的E z场r向分布及叠加得到的总场将呈周期性变化㊂由于图12中的场分布为输出波导某位置某时刻的瞬时值,因此不反映功率信息㊂结果表明,对于不加提取腔的情况,T M02模占总功率的80.6%,T M01模占总功率的19.4%;而对于加载提取腔的情况,T M02模占总功率的81.3%,T M01模占总功率的18.7%㊂因此,加载提取腔前后,该R B WO输出微波各个模式的比例无明显改变,T M02模功率占比约为81%㊂F i g.11E z f i e l dd i s t r i b u t i o n s i n t h eR B WO图11 R B WO内部E z 场分布F i g.12 M o d e a n a l y s i s o f E z i n t h e o u t p u tw a v e g u i d e o fR B WO图12 R B WO输出波导E z场模式分析4结论本文提出了一种2.6倍过模的X波段高效率R B WO,并对其物理机制进行了初步的理论分析㊂该器件中电子束与结构波T M01模的近π模相互作用,随后转化为T M02模体波输出,夹杂部分T M01模㊂采用单谐振腔到双谐振腔链的设计思路,结合模式匹配法,设计的双谐振腔反射器对T M01模与TM02模的反射系数均大于0.99㊂通过对慢波结构进行非均匀处理,以及在慢波结构后端加入提取腔,使得该R B WO具有较高的转换效率㊂P I C仿真中该R B WO输出功率为6.6GW,转换效率约51%,其输出微波T M02模功率占比约81%,其余为TM01模㊂下一步将研究控制该R B WO束波作用与输出的微波模式,确保输出微波模式纯净㊂参考文献:[1] C a r m e lY,I v e r s J,K r i b eRE,e t a l.I n t e n s e c o h e r e n t C h e r e n k o v r a d i a t i o n d u e t o t h e i n t e r a c t i o n o f a r e l a t i v i s t i c e l e c t r o n b e a m w i t h a s l o w-w a v e s t r u c t u r e[J].P h y sR e vL e t t,1974,33:1278-1282.[2]S w e g l e JA,P o u k e y JW,L e i f e s t eGT.B a c k w a r dw a v e o s c i l l a t o r sw i t h r i p p l e dw a l l r e s o n a t o r s:A n a l y t i c t h e o r y a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n[J].P h y sF l u i d s,1985,28:2882-2894.[3] G u n i nA V,K l i m o vAI,K o r o v i nSD,e t a l.R e l a t i v i s t i cX-b a n dB WO w i t h3-GW o u t p u t p o w e r[J].I E E ET r a n sP l a s m aS c i e n c e,1998,26(3):326-331.[4] C h e nC h a n g h u a,L i uG u o z h i,H u a n g W e n h u a,e t a l.Ar e p e t i t i v eX-b a n d r e l a t i v i s t i c b a c k w a r d-w a v e o s c i l l a t o r[J].I E E ET r a n s P l a s m a S c i-e n c e,2002,30(3):1108-1111.[5] K o r o v i nSD,K u r k a n IK,R o s t o vV V,e t a l.R e l a t i v i s t i cb a c k w a r dw a v eo s c i l l a t o rw i t had i s c r e t e r e s o n a n c e r e f l e c t o r[J].R a d i o p h y s i c sa n dQ u a n t u m E l e c t r o n i c s,1999,42(12):1047-1054.[6] K l i m o vAI,K u r k a n IK,P o l e v i nSD,e t a l.A m u l t i g i g a w a t tX-b a n d r e l a t i v i s t i c b a c k w a r dw a v e o s c i l l a t o rw i t h am o d u l a t i n g r e s o n a n t r e-f l e c t o r[J].P i s'm aVZ hT e k hF i z,2008,34(3):235-237.[7]宋玮,陈昌华,孙钧,等.X波段相对论返波管谐振反射器[J].强激光与粒子束,2010,22(4):853-856.(S o n g W e i,C h e nC h a n g h u a,强激光与粒子束073002-4史彦超等:一种X波段过模高效率相对论返波管S u nJ u n,e t a l.R e s o n a n t r e f l e c t o r o f a nX-b a n d r e l a t i v i s t i c b a c k w a r d o s c i l l a t o r.H i g hP o w e r L a s e r a n dP a r t i c l eB e a m s,2010,22(4):853-856)[8] X i a oR e n z h e n,L i J i a w e i,B a i X i a n c h e n,e t a l.A no v e r m o d e dr e l a t i v i s t i cb a c k w a r dw a v eo s c i l l a t o rw i t he f f i c i e n t d u a l-m o d eo p e r a t i o n[J].A p p l P h y sL e t t,2014,104:093505.[9]马乔生,张运俭,李正红,等.X波段永磁包装相对论返波管研制[J].强激光与粒子束,2017,29:023002.(M aQ i a o s h e n g,Z h a n g Y u n-j i a n,L i Z h e n g h o n g,e t a l.D e v e l o p m e n to fX-b a n dr e l a t i v i s t i cb a c k w a r d-w a v eo s c i l l a t o rw i t h p e r m a n e n tm a g n e t.H i g hP o w e rL a s e r a n d P a r t i c l eB e a m s,2017,29:023002)[10] G e s e l lG A,C i r i c IR.R e c u r r e n c em o d a l a n a l y s i s f o rm u l t i p l ew a v e g u i d e d i s c o n t i n u i t i e s a n d i t s a p p l i c a t i o n t o c i r c u l a r s t r u c t u r e s[J].I E E ET r a n sM i c r o w a v eT h e o r y T e c h,1993,41(3):484-490.Ah i g h e f f i c i e n c y X-b a n do v e r-m o d e r e l a t i v i s t i c b a c k w a r dw a v e o s c i l l a t o rS h iY a n c h a o, T e n g Y a n, C h e nC h a n g h u a, X i a oR e n z h e n, D e n g Y u q u n,Y a n g D e w e n, W a n g D o n g y a n g, S u n J u n(S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o n H i g hP o w e rM i c r o w a v eL a b o r a t o r y,N o r t h w e s t I n s t i t u t e o f N u c l e a rT e c h n o l o g y,X i a n710024,C h i n a)A b s t r a c t: T h i s p a p e r s t u d i e s ah i g he f f i c i e n c y X-b a n do v e r-m o d e r e l a t i v i s t i cb a c k w a r dw a v eo s c i l l a t o r(RB WO),w h i c h i s c o m p o s e do f ad u a l-c a v i t y r e f l e c t o r,a7-p e r i o d s t r a p e z o i dS W Sa n d e x t r a c t i o n c a v i t y.T h e r a t i o o f D t oλo f t h e g e n e r a t o r i s2.6, a n d t h e e l e c t r o nb e a mi n t e r a c t sw i t h t h eTM01n e a rπm o d e o f t h e s t r u c t u 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