双谐振腔长脉冲相对论返波振荡器研究

双谐振腔长脉冲相对论返波振荡器研究

葛行军张军靳振兴杨建华钱宝良钟辉煌

(国防科技大学光电科学与工程学院,湖南 长沙 410073)

摘要延长输出微波脉宽是提高输出平均功率水平的一种重要技术途径．受限于“脉冲缩短”这一国际难题,通常高功率微波源输出微波脉宽较窄．相对论返波振荡器是一种高功率、高效率、可重频运行的高功率微波源,获得了广泛研究和应用．在长脉冲相对论返波振荡器研究方面,现有研究方法很难兼顾长脉冲与高效率．针对上述问题,提出了一种双谐振腔长脉冲相对论返波振荡器的设计方法:采用双谐振腔降低射频场;利用非均匀慢波结构增强束波作用;引入大半径收集极减少电子轰击产生的二次电子的数量．实验结果表明,该器件与现有的长脉冲相对论返波振荡器相比,可以在延长输出微波脉宽的同时提高器件束波作用效率．

关键词天波高功率微波;相对论返波振荡器;长脉冲;双谐振腔

中图分类号TN125

文献标志码A

文章编号1005-0388(2015)04-0754-05

AbstractProlonging the pulse duration is an important method to increasing the average output power of the high power microwave (HPM) pulses. However, the pulse duration of the HPM is narrow owing to the “pulse shortening” phenomenon. Relativistic backward-wave oscillators (RBWOs) are one of most promising HPM sources for its high output power, high power conversion efficiency, and high repetition operations. It is difficult to prolong the pulse duration while enhancing the beam-wave efficiency. To solve the above-mentioned problem, a long-pulse RBWO with dual resonant cavities is proposed. Firstly, the dual resonant cavities is used to decrease the electric field. Then the non-uniform SWSs are introduced in the device to enhance the beam-wave efficiency. Finally, a large-radius collector is employed to decrease the electron stimulated desorption and secondary electron emission. It is shown in the experimental results that the pulse duration and the beam-wave efficiency are enhanced, compared with the conventional long-pulse RBWOs.

收稿日期：2014-09-08

作者简介

Investigation of a long-pulse relativistic backward wave

oscillator with dual resonant cavities

GE XingjunZHANG JunJIN ZhenxingYANG Jianhua

QIAN BaoliangZHONG Huihuang

(CollegeofOpto-electricScienceandEngineering,NationalUniversityofDefense

Technology,ChangshaHunan410073,China)

资助项目: 国家高技术发展计划项目资助课题

联系人： 葛行军 E-mail: gexingjun230230@aliyun.com

Key words high power microwave (HPM); relativistic backward wave oscillator (RBWO); long pulse; pulse shortening

引言

提高输出的平均功率水平是高功率微波(High Power Microwaves, HPM)技术领域重要的发展方向,通常可以通过提高HPM源峰值功率、重复频率和脉冲宽度三方面来实现[1-10]．20世纪90年代,在经历了HPM发展的鼎盛时期后,研究人员意识到单一HPM源的峰值功率水平很难大幅度提高,而重复频率运行频率要达到或超过kHz水平也非常困难．因此,延长输出微波的脉冲宽度成为HPM研究领域提高器件单脉冲能量和平均功率水平的重要手段．相对论返波振荡器(Relativistic Backward-Wave Oscillator, RBWO)由于具有结构简单、输出微波功率高、适应的电子束参数范围宽、可重复频率运行等优点,成为发展最为成熟的HPM源之一,并获得了广泛研究和应用[11-13]．在长脉冲RBWO方面,俄罗斯大电流研究所研制的S波段RBWO在3 GW的功率水平下实现了90 ns长脉冲微波输出[14],继续延长脉宽时,遇到明显的脉冲缩短现象．国防科学技术大学研制的S波段RBWO在2 GW的功率水平下实现了100 ns长脉冲微波输出,但继续提高输入电功率时,由于束波作用效率明显下降,输出微波功率难以继续提高[15]．因此,通过深入探讨脉冲缩短机理,研究兼顾长脉冲、高功率、高效率的RBWO具有重要的理论和实际应用价值．

基于此,本文研究了一种双谐振腔长脉冲RBWO,首先从物理机理上分析了器件提高束波作用效率、实现长脉冲的设计思想,然后利用数值仿真方法对器件工作过程进行了详细的模拟研究,最后开展了初步实验研究,给出典型实验结果．

1物理分析

双谐振腔长脉冲RBWO的结构如图1所示,主要由环形阴极、双谐振腔、非均匀慢波结构、锥波导、收集极以及导引磁场等组成．设计特色如下．

图1　双谐振腔长脉冲RBWO结构示意图

1.1双谐振腔

慢波结构前端采用两个谐振腔来取代截止颈,主要作用如下:

1) 对电子束进行预调制:双谐振腔对电子束进行了预调制,使电子束发生了较明显的预群聚,有利于在慢波区发生充分的束波相互作用,提高束波转换效率．

2) 反射向二极管区泄漏的微波:谐振腔由于其本身的谐振特性,能达到截止颈的效果,即反射向二极管区方向传输的微波,避免造成不利影响．仿真结果表明,采用两个谐振腔能实现对向二极管区泄漏的微波的全反射．

3) 减小阴极等离子膨胀影响:采用双谐振腔结构,电子束距离谐振腔的径向距离优化后为5 mm(大于带截止颈RBWO的2 mm),避免电子束刮擦或轰击谐振腔,削弱器件内部射频场,可以有效削弱由于阴极等离子体径向膨胀引起的脉冲缩短．

1.2非均匀慢波结构

采用变波纹深度来提高后段慢波结构与电子束的耦合阻抗,增强束波作用．同时,增大波纹深度还有利于降低结构波的相速度,使其与因把能量交给微波场而被减速的电子的速度继续保持同步,使电子持续交出能量,进而提高束波作用效率．

1.3大半径收集极

降低收集极处电子的密度,减少因电子轰击收集极而产生的二次电子的数量,进而削弱收集极处等离子体对微波产生的影响．同时,增大收集极与束波相互作用区之间的轴向距离,防止由于收集极处产生的等离子体膨胀至束波相互作用区,导致输出微波脉冲缩短．

2仿真结果与分析

采用粒子模拟程序分析器件中电子束的传输及束波相互作用的物理过程,并进行电磁结构优化．粒子模拟的条件:二极管电压约为940 kV、电流约为10.5 kA,导引磁场大小约为1.8 T．其中,结合实验室现有的长脉冲重频加速器的输出电压波形设置二极管电压参数:上升沿60 ns、下降沿60 ns,半高宽约为160 ns．

2.1典型粒子模拟结果

粒子模拟表明:在慢波结构起始段,双谐振腔对电子束起到了预群聚的作用;在慢波结构中段,电子群聚较明显,充分发生束波相互作用;在慢波结构末段,由于采用变阻抗结构,电子与结构波的耦合阻抗提高,束波作用增强,仍能实现较好群聚．

图2给出了典型的粒子模拟结果．图2(a)给出了输出微波随时间的变化,可知微波振荡较稳定,60 ns后微波饱和,半高宽约135 ns,饱和后平均功率约3.2 GW,效率约32.4%．图2(b)给出了输出微波的频谱分析,可知微波频谱较纯净,为3.75 GHz．

(a) 输出微波随时间的变化

(b) 输出微波的频谱分析 图2　典型粒子模拟结果

2.2参数影响分析

1) 二极管电压的影响分析

针对现有加速器的电参数,模拟了输出微波频率(实心圆形)及效率(空心四边形)随二极管电压的变化情况,如图3所示．由图可知,二极管电压为820～980 kV时,输出微波频率略有提高,由3.74 GHz升至3.75 GHz．

效率在二极管电压为820 kV时有最大值,之后随着二极管电压升高而逐渐降低．在820 kV至1 MV范围,效率仍高于31%．分析认为只有电子的速度与电磁波的相速存在较好的匹配关系,束波之间才能够充分进行能量交换．上述分析表明器件对二极管电压不是很敏感,这有利于实验中对电压参数进行调节．

图3　微波频率和效率与二极管电压的关系

2) 导引磁场的影响分析

图4为输出微波频率(实心星形)及效率(空心三角边形)随导引磁场的变化情况．由图可知,磁场大小为1.6～2.6 T时,频率由3.74 GHz升高到3.76 GHz．当外加磁场大于1.7 T时,效率稳定在30%以上．这是因为磁场较小时,电子束得不到很好的控制,质量较差,随着导引磁场强度的增大,电子束的质量逐渐提高,束波相互作用加强,效率提高;当磁场增大到可以完全控制电子束后,电子束的质量不再随着磁场强度的增大而提高,效率基本稳定．

图4　微波频率和效率与导引磁场的关系

3实验研究

3.1实验布局

在理论分析和数值仿真的基础上完成器件的加工,开展初步实验研究．

双谐振腔长脉冲RBWO由长脉冲加速器驱动,见图5(a)．辐射天线为输出口径φ500 mm的圆锥喇叭,辐射模式为TM01模．距离天线相心8 m放置两路测量系统,见图5(b)．微波接收天线S2(参考路,作为参考和测量频率使用)摆放于一侧微波辐射的最大辐射方向上,该处位于距离辐射天线相心8 m远的圆弧上;而另一路接收天线S1(移动路,作为测量功率用)则在8 m圆弧上的另一侧按照2°的角度间隔进行移动,用于辐射场功率密度分布积分法计算出辐射微波总功率．为避免地面和周围墙体反射对测量结果的影响,在大厅接收喇叭的周围均放置了具有较好吸收效果的尖劈形吸波材料．

(a) 长脉冲加速器及双谐振腔RBWO

(b) 微波测量系统 图5　实验布局

3.2初步实验结果

实验中,二极管电压约820 kV、电流约8.1 kA,导引磁场大小约为1.8 T．图6(a)给出了检波后输出微波波形,可以看到两路微波波形符合较好,脉宽大于110 ns,功率2 GW,效率约30%．图6(b)给出了对辐射微波信号及其快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)分析结果,可以看到微波中心频率为3.755 GHz,且输出频谱较纯．实验结果与粒子模拟结果符合较好．

(a) 二极管电压、电流、微波检波后波形

(b) 输出微波频谱 图6　典型实验结果

4结论

本文设计了一种双谐振腔长脉冲RBWO,采用理论分析、数值仿真、实验研究相结合的方法研究了器件内束波作用的物理过程．初步实验结果表明,在二极管电压820 kV、电流8.1 kA、导引磁场1.8 T时,输出微波功率2 GW、频率3.755 GHz、功率转换效率约30%、脉宽大于110 ns．下一步继续深入研究脉冲缩短机理,在更高功率水平下实现长脉冲重频HPM输出．

致谢：衷心感谢袁成卫研究员、张强讲师在辐射天线设计中的帮助,使本文设计思想得以实验验证．

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葛行军(1982-),男,山东人,讲师,博士,主要从事高功率微波技术研究．

张军 (1977-),男,陕西人,研究员,博士,主要从事高功率微波技术研究．

靳振兴 (1982-),男,甘肃人,助理研究员,博士,主要从事高功率微波技术研究．

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