S波段多注相對論速調管放大器的初步研究.pdf

1、多注相對論速調管放大器(Multiple-Beam Relativistic Klystron Amplifier)利用多注強流相對論電子注并行工作，有利于降低空間電荷效應，提高注波互作用效率，降低引導磁場強度，研究采用多注電子注的相對論速調管放大器對提高高功率微波器件的性能具有重要的意義。本論文通過理論分析和數值模擬，結合相應的實驗，對電子注形狀分別為扇形和圓形的兩種多注相對論速調管放大器進行了模擬研究，并在扇形多注相對論速調管放大器

2、的實驗中取得了功率為410MW的高功率微波輸出。
　　論文內容主要包括以下幾個方面:
　　1.根據強流相對論電子注的特點，結合大功率速調管的設計理論，得到了多注相對論速調管放大器的總體設計要求。文中給出了多注相對論速調管放大器的主要技術指標及其大致范圍，研究了影響多注相對論速調管放大器性能的主要因素，得到了電子注參數的設計考慮及其確定方法，并詳細分析了各個諧振腔的設計原則。
　　2.根據多注相對論速調管設計理論，通過模

3、擬計算，設計了一套電子注形狀為扇形的多注相對論速調管放大器（Fan-shaped Multiple-Beam Relativistic Klystron Amplifier）。利用數值模擬研究了各腔的高頻特性、電子注在群聚段的群聚過程和輸出腔中的微波提取過程，具體內容包括:各個諧振腔中的模式分布和工作模式的諧振頻率、電場均勻性、品質因數和特性阻抗;輸入微波的吸收與輸入腔高頻特性及電子負載的關系;電子注在通過輸入腔和中間腔后的基波電流分量

4、軸向分布以及雜頻電流分量的抑制方法;單間隙輸出腔中可能出現的射頻擊穿問題，采用雙間隙輸出腔的整管輸出微波功率及其隨聚焦磁場強度和輸入微波頻率的變化。在電子注電壓1MV、電子注電流20kA、輸入微波500kW、聚焦磁場1T的條件下，通過模擬設計得到了頻率2.88GHz、功率4.73GW的輸出微波，效率為23.6％。
　　3.利用現有的實驗平臺，結合理論分析與數值模擬方法，對FMBRKA進行了實驗研究。在實驗中研究了各腔的高頻特性、束

5、流的產生及傳輸過程、電子在群聚段的群聚過程和輸出腔中的微波提取過程，具體內容包括:各個諧振腔中的模式分布和工作模式的諧振頻率及品質因數;電子注在傳輸至不同位置處的電流和形狀;輸入微波的吸收與輸入腔高頻特性及電子負載的關系;電子注在通過輸入腔和中間腔后的基波電流分量以及雜頻電流分量的軸向分布;雙間隙輸出腔后輸出微波的頻譜和功率。重點研究了電子注在空間電荷力作用下旋轉而導致的束流損失問題和電子負載變化對輸入微波吸收的影響。在電子注初始電壓、

6、電流分別為670kV、11kA，注入微波500kW，磁場1T的條件下，在實驗中得到了功率為410MW的輸出微波。
　　4.針對FMBRKA實驗中出現的束流損失問題提出了將電子注和漂移管形狀改為圓形的解決方案，并進一步完成了圓形多注相對論速調管放大器(Circular Multiple-BeamRelativistic Klystron Amplifier)的模擬設計。本文分析了FMBRKA實驗中電子注在空間電荷力作用下旋轉的機理，

7、針對由此導致的束流損失問題提出了電子注及漂移管形狀和二極管結構的改進方案并進行了模擬驗證，最終發(fā)展為圓形多注相對論速調管放大器。在圓形多注相對論速調管放大器的模擬計算中研究的具體內容包括:電子注注數與腔體類型的選擇;輸入微波功率對輸入腔后基波電流分量軸向分布的影響;中間腔諧振頻率和中間腔前的電子注基波電流分量對腔后電子注基波電流分量軸向分布的影響;單間隙輸出腔前的電子注基波電流分量和輸出腔頻率對輸出微波功率的影響;雙間隙輸出腔在降低間隙