X波段类周期加载微波腔的优化设计和粒子模拟.pdfVIP

! 第# 卷! 第$ 期 强 激 光 与 粒 子 束 %’( # ，)( $! $**+! ! $**+ 年$ 月 ,-., /0123 45623 5)7 /538-942 :25;6 =( ， 文章编号：! **?@A$$ （$**@ ）*$?*$@+?*@ ! 波段类周期加载微波腔的优化设计和粒子模拟! 李正红，! 孟凡宝，! 黄! 华，! 常安碧 （中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳B$C** ） ! ! 摘! 要：! 提出了一种类周期加载微波腔结构，通过理论和全电磁$( + 维相对论粒子模拟程序计算，证实 了电子束可以与这种谐振腔结构发生相互作用。基于该谐振腔特点，通过56835 程序（包含电子束自身空间 电荷场的粒子运动模拟程序）设计和优化了一个D 波段的类周期加载微波腔振荡器，该振荡器的束波转换效 率理论值可达+$E ，工作频率为C( @ .,F 。然后用全电磁$( + 维相对论粒子模拟程序进行了进一步的优化，模 拟中，输入电压#** G% ，电流B( B G5 ，磁场@( @ 8 ，其输出功率为( B# .1，束波转换效率达到ABE 。实验上输 出微波峰值功率达到( A .1，脉宽$B HI ，束波转换效率为$BE 。 ! ! 关键词：! 微波腔；! 模式；! 群聚；! 返波管；! 高功率微波 ! ! 中图分类号：! 8)#+$! ! ! ! 文献标识码：! 5 ! ! 电子束产生受激辐射机制大体分为三类，它们是契仑科夫辐射、磁轫致辐射和渡越辐射。利用契仑科夫辐 ［］ ［$ ］ 射的器件有磁控管、返波管（:10 ） 、行波管（818 ） 等；利用磁轫致辐射的器件有回旋管和虚阴极振荡器 （ ［A ］ ［@ ］ ［+ ］ %90 ） 等；利用渡越辐射的器件有速调管（3J5 ） 和渡越振荡管 等。其中返波管器件在D 波段高功率 微波研究中具有代表性，然而由于在返波管中返波辐射随着离阴极距离的减小而增加，使该器件不利于在高功 率下工作。为了克服这种问题，采用类周期加载微波腔［B ］，通过结构优化使微波腔中微波场集中在输出端，利 于器件在高功率下工作，其辐射机制为契仑科夫辐射，工作机理类似于多波契仑科夫发生器。此器件在结构上 类似六腔渡越振荡管［+ ］，然而六腔渡越振荡管为渡越机制，不存在周期结构，每个腔在结构（腔的纵向长度和 横向深度）上互不相同；而类周期加载微波腔的主要部分为周期结构（图 中 区和图@ ），在设计中通过对周 期结构中每个单元的深度进行优化，使电子束同预期的模式作用，尽可能消除其它模式的影响，从而达到预期 目标。这种器件的设计和优化过程是通过56835 程序给出电子束同微波腔工作模式的作用效率来进行的，然 后利用全电磁$( + 维相对论粒子模拟程序进行验证和进一步优化。 # 类周期加载微波腔结构模型 ! ! 图 为类周期加载微波腔结构图，图中 区（* K ! K ）部分为微波腔主结构（周期结构），$ 区（ K ! K $ ）是漂移段，A 区（$ K ! K A ）是换能区，图$ 为微波腔中# L *( # MN 处轴向电场$! 的近似分布。 OP( ! 6QRSMQSR= T USVIO?W=ROXOM MVYOQZ OP( $! O=’X T USVIO?W=ROXOM MVYOQZ 图! 类周期加载微波腔结构图 图$! 类周期加载微波腔的近似场分布 ! ! 为了便于理论分析，在这里采用近似场分布，如图$ 所示，近似为