雙諧振腔長脈沖相對論返波振蕩器研究

雙諧振腔長脈沖相對論返波振蕩器研究

葛行軍張軍靳振興楊建華錢寶良鐘輝煌

(國防科技大學光電科學與工程學院,湖南 長沙 410073)

摘要延長輸出微波脈寬是提高輸出平均功率水平的一種重要技術途徑．受限于“脈沖縮短”這一國際難題,通常高功率微波源輸出微波脈寬較窄．相對論返波振蕩器是一種高功率、高效率、可重頻運行的高功率微波源,獲得了廣泛研究和應用．在長脈沖相對論返波振蕩器研究方面,現有研究方法很難兼顧長脈沖與高效率．針對上述問題,提出了一種雙諧振腔長脈沖相對論返波振蕩器的設計方法:采用雙諧振腔降低射頻場;利用非均勻慢波結構增強束波作用;引入大半徑收集極減少電子轟擊產生的二次電子的數量．實驗結果表明,該器件與現有的長脈沖相對論返波振蕩器相比,可以在延長輸出微波脈寬的同時提高器件束波作用效率．

關鍵詞天波高功率微波;相對論返波振蕩器;長脈沖;雙諧振腔

中圖分類號TN125

文獻標志碼A

文章編號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

作者簡介

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)

資助項目: 國家高技術發展計劃項目資助課題

聯系人： 葛行軍 E-mail: gexingjun230230@aliyun.com

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

引言

提高輸出的平均功率水平是高功率微波(High Power Microwaves, HPM)技術領域重要的發展方向,通常可以通過提高HPM源峰值功率、重復頻率和脈沖寬度三方面來實現[1-10]．20世紀90年代,在經歷了HPM發展的鼎盛時期后,研究人員意識到單一HPM源的峰值功率水平很難大幅度提高,而重復頻率運行頻率要達到或超過kHz水平也非常困難．因此,延長輸出微波的脈沖寬度成為HPM研究領域提高器件單脈沖能量和平均功率水平的重要手段．相對論返波振蕩器(Relativistic Backward-Wave Oscillator, RBWO)由于具有結構簡單、輸出微波功率高、適應的電子束參數范圍寬、可重復頻率運行等優點,成為發展最為成熟的HPM源之一,并獲得了廣泛研究和應用[11-13]．在長脈沖RBWO方面,俄羅斯大電流研究所研制的S波段RBWO在3 GW的功率水平下實現了90 ns長脈沖微波輸出[14],繼續延長脈寬時,遇到明顯的脈沖縮短現象．國防科學技術大學研制的S波段RBWO在2 GW的功率水平下實現了100 ns長脈沖微波輸出,但繼續提高輸入電功率時,由于束波作用效率明顯下降,輸出微波功率難以繼續提高[15]．因此,通過深入探討脈沖縮短機理,研究兼顧長脈沖、高功率、高效率的RBWO具有重要的理論和實際應用價值．

基于此,本文研究了一種雙諧振腔長脈沖RBWO,首先從物理機理上分析了器件提高束波作用效率、實現長脈沖的設計思想,然后利用數值仿真方法對器件工作過程進行了詳細的模擬研究,最后開展了初步實驗研究,給出典型實驗結果．

1物理分析

雙諧振腔長脈沖RBWO的結構如圖1所示,主要由環形陰極、雙諧振腔、非均勻慢波結構、錐波導、收集極以及導引磁場等組成．設計特色如下．

圖1　雙諧振腔長脈沖RBWO結構示意圖

1.1雙諧振腔

慢波結構前端采用兩個諧振腔來取代截止頸,主要作用如下:

1) 對電子束進行預調制:雙諧振腔對電子束進行了預調制,使電子束發生了較明顯的預群聚,有利于在慢波區發生充分的束波相互作用,提高束波轉換效率．

2) 反射向二極管區泄漏的微波:諧振腔由于其本身的諧振特性,能達到截止頸的效果,即反射向二極管區方向傳輸的微波,避免造成不利影響．仿真結果表明,采用兩個諧振腔能實現對向二極管區泄漏的微波的全反射．

3) 減小陰極等離子膨脹影響:采用雙諧振腔結構,電子束距離諧振腔的徑向距離優化后為5 mm(大于帶截止頸RBWO的2 mm),避免電子束刮擦或轟擊諧振腔,削弱器件內部射頻場,可以有效削弱由于陰極等離子體徑向膨脹引起的脈沖縮短．

1.2非均勻慢波結構

采用變波紋深度來提高后段慢波結構與電子束的耦合阻抗,增強束波作用．同時,增大波紋深度還有利于降低結構波的相速度,使其與因把能量交給微波場而被減速的電子的速度繼續保持同步,使電子持續交出能量,進而提高束波作用效率．

1.3大半徑收集極

降低收集極處電子的密度,減少因電子轟擊收集極而產生的二次電子的數量,進而削弱收集極處等離子體對微波產生的影響．同時,增大收集極與束波相互作用區之間的軸向距離,防止由于收集極處產生的等離子體膨脹至束波相互作用區,導致輸出微波脈沖縮短．

2仿真結果與分析

采用粒子模擬程序分析器件中電子束的傳輸及束波相互作用的物理過程,并進行電磁結構優化．粒子模擬的條件:二極管電壓約為940 kV、電流約為10.5 kA,導引磁場大小約為1.8 T．其中,結合實驗室現有的長脈沖重頻加速器的輸出電壓波形設置二極管電壓參數:上升沿60 ns、下降沿60 ns,半高寬約為160 ns．

2.1典型粒子模擬結果

粒子模擬表明:在慢波結構起始段,雙諧振腔對電子束起到了預群聚的作用;在慢波結構中段,電子群聚較明顯,充分發生束波相互作用;在慢波結構末段,由于采用變阻抗結構,電子與結構波的耦合阻抗提高,束波作用增強,仍能實現較好群聚．

圖2給出了典型的粒子模擬結果．圖2(a)給出了輸出微波隨時間的變化,可知微波振蕩較穩定,60 ns后微波飽和,半高寬約135 ns,飽和后平均功率約3.2 GW,效率約32.4%．圖2(b)給出了輸出微波的頻譜分析,可知微波頻譜較純凈,為3.75 GHz．

(a) 輸出微波隨時間的變化

(b) 輸出微波的頻譜分析 圖2　典型粒子模擬結果

2.2參數影響分析

1) 二極管電壓的影響分析

針對現有加速器的電參數,模擬了輸出微波頻率(實心圓形)及效率(空心四邊形)隨二極管電壓的變化情況,如圖3所示．由圖可知,二極管電壓為820～980 kV時,輸出微波頻率略有提高,由3.74 GHz升至3.75 GHz．

效率在二極管電壓為820 kV時有最大值,之后隨著二極管電壓升高而逐漸降低．在820 kV至1 MV范圍,效率仍高于31%．分析認為只有電子的速度與電磁波的相速存在較好的匹配關系,束波之間才能夠充分進行能量交換．上述分析表明器件對二極管電壓不是很敏感,這有利于實驗中對電壓參數進行調節．

圖3　微波頻率和效率與二極管電壓的關系

2) 導引磁場的影響分析

圖4為輸出微波頻率(實心星形)及效率(空心三角邊形)隨導引磁場的變化情況．由圖可知,磁場大小為1.6～2.6 T時,頻率由3.74 GHz升高到3.76 GHz．當外加磁場大于1.7 T時,效率穩定在30%以上．這是因為磁場較小時,電子束得不到很好的控制,質量較差,隨著導引磁場強度的增大,電子束的質量逐漸提高,束波相互作用加強,效率提高;當磁場增大到可以完全控制電子束后,電子束的質量不再隨著磁場強度的增大而提高,效率基本穩定．

圖4　微波頻率和效率與導引磁場的關系

3實驗研究

3.1實驗布局

在理論分析和數值仿真的基礎上完成器件的加工,開展初步實驗研究．

雙諧振腔長脈沖RBWO由長脈沖加速器驅動,見圖5(a)．輻射天線為輸出口徑φ500 mm的圓錐喇叭,輻射模式為TM01模．距離天線相心8 m放置兩路測量系統,見圖5(b)．微波接收天線S2(參考路,作為參考和測量頻率使用)擺放于一側微波輻射的最大輻射方向上,該處位于距離輻射天線相心8 m遠的圓弧上;而另一路接收天線S1(移動路,作為測量功率用)則在8 m圓弧上的另一側按照2°的角度間隔進行移動,用于輻射場功率密度分布積分法計算出輻射微波總功率．為避免地面和周圍墻體反射對測量結果的影響,在大廳接收喇叭的周圍均放置了具有較好吸收效果的尖劈形吸波材料．

(a) 長脈沖加速器及雙諧振腔RBWO

(b) 微波測量系統 圖5　實驗布局

3.2初步實驗結果

實驗中,二極管電壓約820 kV、電流約8.1 kA,導引磁場大小約為1.8 T．圖6(a)給出了檢波后輸出微波波形,可以看到兩路微波波形符合較好,脈寬大于110 ns,功率2 GW,效率約30%．圖6(b)給出了對輻射微波信號及其快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)分析結果,可以看到微波中心頻率為3.755 GHz,且輸出頻譜較純．實驗結果與粒子模擬結果符合較好．

(a) 二極管電壓、電流、微波檢波后波形

(b) 輸出微波頻譜 圖6　典型實驗結果

4結論

本文設計了一種雙諧振腔長脈沖RBWO,采用理論分析、數值仿真、實驗研究相結合的方法研究了器件內束波作用的物理過程．初步實驗結果表明,在二極管電壓820 kV、電流8.1 kA、導引磁場1.8 T時,輸出微波功率2 GW、頻率3.755 GHz、功率轉換效率約30%、脈寬大于110 ns．下一步繼續深入研究脈沖縮短機理,在更高功率水平下實現長脈沖重頻HPM輸出．

致謝：衷心感謝袁成衛研究員、張強講師在輻射天線設計中的幫助,使本文設計思想得以實驗驗證．

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葛行軍(1982-),男,山東人,講師,博士,主要從事高功率微波技術研究．

張軍 (1977-),男,陜西人,研究員,博士,主要從事高功率微波技術研究．

靳振興 (1982-),男,甘肅人,助理研究員,博士,主要從事高功率微波技術研究．

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