回旋管准光辐射器研究与设计

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国际热核聚变装置用回旋管的现状及技术分析

，，，ＷＡＮＧ，ＬＩＺｈｉｌｉａｎＦＥＮＧＪｉｎｕｎＬＩＵＢｅｎｔｉａｎＥｆｅｎＺＥＮＧＸｕ－－－－ｇｊｇ
（ＢｅｉｉｎＶａｃｕｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＮａｔｉｏｎａｌＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｊｇｙｙｆｇｙ
ｏｎＶａｃｕｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｂｅｉｉｎ０００１５，Ｃｈｉｎａ）ｊｇ１
：ＡｂｓｔｒａｃｔＧｒｏｔｒｏｎｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｒｏｍｉｓｉｎｈｉｈｏｗｅｒｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒａｖｅａｎｄｔｅｒａｈｅｒｔｚｓｏｕｒｃｅ．Ｔｈｅ－ｐ－ｗｙｐｇｇｃｏｎｆｉｕｒａｔｉｏｎａｎｄｏｅｒａｔｉｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｏｓｃｉｌｌａｔｏｒａｒｅｂｒｉｅｆｌｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｔａｔｅｏｆａｒｔａｎｄｒｏｔｒｏｎ－－ｇｐｇｙｇｙ，ｄｅｖｅｌｏｉｎｔｒｅｎｄｏｆ１１０ＧＨｚ１４０ＧＨｚａｎｄ１７０ＧＨｚｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓｔｈａｔａｒｅｕｓｅｄｉｎｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｒｏｔｒｏｎｐｇｇｙｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒｆｕｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｓｏｍｅｒｅｍａｉｎｉｎｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｃｈｎｉｃａｌａｒｅｄｉｓｒｏｂｌｅｍｓ－ｇｐｃｕｓｓｅｄａｎｄｓｏｍｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｗａｓｔｈａｔｍａｓｏｌｖｅｔｈｅｒｏｂｌｅｍｓａｒｅａｌｓｏｒｅｓｅｎｔｅｄ．ｙｙｐｐ：／，，ＨＫｅｗｏｒｄｓＩＴＥＲ，ＥＣＲＨＥＣＣＤ，ＧｒｏｔｒｏｎＴｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒｆｕｓｉｏｎｉｈｏｗｅｒ－ｐｙｇｙ

第5章_高功率微波源

甚至亚毫米波的很宽的频率范围内产生高脉
冲功率与连续波功率
5.2.1 发展概况及基本原理
电子回旋脉塞期间包括一大类器件,这类期间又称为回旋管系列,属于快波器件. 电子回旋脉塞器件能以各种方式在跨越厘米波,毫米波甚至亚毫米波的范围内产生高脉冲功率与连续波功率
电子回旋脉塞发展历史
电子回旋脉塞起源于50年代末期,但是有3位学者开始进行电子回旋脉塞互相作用产生微波的理论研究.
第五章高功率微波源 Development and Appling of High Power Microwave(HPM)
5.1 引言
5.2 电子回旋脉塞及回旋管系列
5.3 相对论普通微波管系列 5.4 其他高功率微波器件
电磁波谱及主要产生方式
1 高功率微波(high power microwave-HPM)
如果高频场的角频率与电子回旋频率相等,受加速的电子数等于受减速的电子数如国高频场的角频率小于电子回旋频率.电磁波场的旋转速度略慢于电子的旋转速度,则电子的群聚落入加速场,有更多的电子受到加速而从波场获得能量,场被电子吸收能量而衰减. 如国高频场的角频率大于电子回旋频率,电磁波场的旋转速度略大于电子的旋转速度,则电子的群聚落入波场的减速区.在场的一个周期内,减速的电子数大于加速的电子数.净效果是电子注失去能量,将能量交给高频场,波场得到增强,于是产生微波振荡或放大.
非致命武器1美国陆军实验室正在研制的地面车辆制动装置就是利用微波源产生的脉冲波爆使远处的正在高速行驶的汽车失灵甚至报废2电力分配弹药epdmelectricpowerdistributionmanition当其飞抵目标上方时爆炸释放出大量松散的传导性碳纤维缠丝随风飘落缠绕在高能电缆上使电子设备严重短路3目前正在研制中的隐蔽式眩目激光武器是使用荧光技术其发射出的紫外光照射眼睛后眼睛会产生荧光感应出现视线模糊使人致晕但无致人失明的危险

国科发基〔2019〕381号.doc

附件国家磁约束核聚变能发展研究专项2019年度项目申报指南聚变能源由于资源丰富和近无污染，成为人类社会未来的理想能源，是最有希望彻底解决能源问题的根本出路之一，对于我国经济、社会的可持续发展具有重要的战略意义，是关系长远发展的基础前沿领域。

本专项总体目标是：在“十三五”期间，以未来建堆所涉及的国际前沿科学和技术目标为努力方向，加强国内与“国际热核聚变实验堆”（ITER）计划相关的聚变能源技术研究和创新，发展聚变能源开发和应用的关键技术，以参加ITER计划为契机，全面消化吸收关键技术；加快国内聚变发展，开展高水平的科学研究；以我为主开展中国聚变工程试验堆（CFETR）的详细工程设计，并结合以往的物理设计数据库在我国的“东方超环”（EAST）、“中国环流器2号改进型”（HL-2M）托卡马克装置上开展与CFETR物理相关的验证性实验，为CFETR的建设奠定坚实科学基础。

加大聚—1—变技术在国民经济中的应用，大力提升我国聚变能发展研究的自主创新能力，培养并形成一支稳定的高水平聚变研发队伍。

2019年，本专项将以聚变堆未来科学研究为目标，加快国内聚变发展，重点开展高水平的科学研究、大规模理论与数值模拟，CFETR关键技术预研及聚变堆材料研发等工作，继续推动我国磁约束核聚变能的基础与应用研究。

按照分步实施、重点突出原则，2019年拟优先支持11个方向，国拨总经费2.7亿元。

本专项的项目执行期一般为5年。

原则上所有项目应整体申报。

指南方向1–7，每个指南方向拟支持1~2个项目，须覆盖相应指南研究方向的全部考核指标，下设课题数不超过4个，每个项目参与单位数不超过6个。

指南方向1–7，原则上只立1项，仅在申报项目评审结果相近、技术路线明显不同的情况下，可同时支持2个项目，并建立动态调整机制，根据中期评估结果确定后续支持方式。

指南方向8–11为青年科学家项目，不设课题，每个指南方向拟支持不超过5个项目。

—2—申报单位根据指南支持方向，面向解决重大科学问题、突破关键技术及建立规模化资源共享平台进行整体设计、合理安排课题；项目负责人应具备较强的组织管理能力。

一种250GHz,输出功率为40W连续波的二次谐波回旋管设计

＝
（ｍａｒ）
１Ｏ．ｌ
１Ｏｌ．１ｏ，２
Ｔ．Ｔ２Ｅｓ，Ｅ．１２
ＴＥ６１
，
１５．。
ｓ。
ＴＥ６５ＴＥ７３
工作模式选择问题，然后，通过自洽非线性理论对回旋管内的电子注一波互作用进
行计算，从而获得最终结果。
根据以上各式，以及腔体半径、电子束半径与相应的贝塞尔零点，得到以下模
式可以被选择来做进一步的考虑：
Ｔ，Ｅ，ＴＴＴＥ６ｚｒＥａＥ３，
回旋管的设计目标为：
工作频率：２０５ＧＨｚ左右；出功率：输
３５（续波）０～Ｗ０连ｌ电子注电流００～００电子注电．５．８
压：ｌ４～２Ｖ０ｋ
Ｒ警ｇ＝Ｍ＝，＾ ‘ ． ‘
然而，对于工作于基波状态下的回旋
成功的。
００＝３５，，．。腔体半径Ｒ０２２ｒｍ，＝．５ａ互
作用区长度Ｌ可以选取２，９～３ｒｍ。经２ａ
计算，这样设计能得到较高的品质因数。
通过计算可知，ＴＥ模式的（，４）式计算值约为０５从而得出ＴＥ：．１模式为最佳选择。
图１给出了在不同互作用区长度下，
回旋管输出功率随作用区磁场变化的曲线。在这里，电子注电压Ｕ＝１ｋ５Ｖ，电
表１候选模式．基波竞争模式以及相应的电子半径
候选模式基波竞争电子束半径
模式

准光模式变换器研究与设计

回旋管具有高增益、高效率、高峰值功率、高平均功率等优点，适合作强功率雷达、电子高能射频加速器、电子回旋共振加热系统的功率源［１］。回旋管的输出模式一般为对称高阶体模（ＴＥ。，夕》１）或高阶边廊（ＴＥ，》１且Ｐ＝１或２），此模式无确定的极化方向，并且其轴向辐射呈不理想的空心圆锥状，因此需要模式变换器将回旋管输出的微波能量转换为适当的传输模式，实现高效率的微波传输及辐射＿３］。传统的模式变换器一般采用波导结构，波导结构的模式变换器主要针对低阶模式进行变换，对回旋管输出的高阶模式进行变换就会导致结构复杂、效率低、带宽窄，而采用准光模式变换器能实现高阶模式的高效紧凑转换［４］。准光模式变换器主要由伏拉索夫（Ｖｌａｓｏｖ）辐射器ｒ５及多级反射镜构成，Ｖｌａｓｏｖ辐射器的主要作用是将波导输出模式有效地向外空间辐射，且其辐射接近高斯分布，多级反射镜是为了输出波束更好地聚束和相位校正，使输出波束呈准高斯分布。由于回旋管输出的微波波长远小于波导的半径，因此对Ｖｌａｓｏｖ辐射器可以采用几何光学理论，对多级反射镜面的研究一般采用标量绕射理论］。国内对准光模式变换器研究还处于起步阶段［７］。本文基于几何

高阶过模Denisov辐射器设计

高阶过模Ｄｅｎｉｓｏｖ辐射器设计
薛长江，施美友，张永刚，徐刚
（巾国工程物理研究院应用电子学研究所，高功率微波技术重点实验室，四川绵阳６２１９００）
摘要：应用几何光学理论分析了高阶过模Ｄｅｎｉｓｏｖ辐射器的基本工作原理。以耦合波理论为基础，给出了高阶过模Ｄｅｎｉｓｏｖ辐射器的设计方法。结合３ｍｍ波段边廊模回旋管的具体参数，研究了３ｍｍ波段工作模式为ＴＥ。，。的Ｄｅｎｉｓｏｖ辐射器。采用编制的数值计算程序。优化得到可靠的最优波导壁扰动几何参量，据此设计出了紧凑的９６．４ＧＨｚ工作模式为ＴＥ的Ｄｅｎｉｓｏｖ辐射器。经全电磁场仿真验证，该辐射器壁电流发生了较好的汇聚，在切割边缘电流幅值降为汇聚中心点的１Ｏ，输出准高斯束能量转换效率为９６．５１Ｖ０。关键词：回旋管；模式耦合理论；几何光学；Ｄｅｎｉｓｏｖ辐射器
第２５卷第３期
２０１３年３月
强激光与粒子束
ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳ
Ｖｏ１．２５，ＮＯ．３
பைடு நூலகம்Ｍａｒ．。２Ｏ１３

引言(回旋管的工作机理)

第一章引言自从电磁场和电磁波被人们认识以来，经过人们不懈的努力，电磁波谱的许多波段相继为人们所认识，并加以利用。

在二次世界大战中，人们对雷达技术的需求推动了微波技术的迅速发展，许多微波器件相继问世，在雷达、通信、导航、医疗及工农业生产中得到了广泛的应用。

微波器件技术及理论日趋完善。

微波器件在微波波段已经得到了很好的应用，但在毫米波段遇到了许多困难。

而回旋管能很好的工作在毫米波波段，因而近40多年来受到各国的高度重视，得到了很大的发展，已逐渐进入了工程应用，深入的研究工作仍在继续进行。

§1．1回旋管的发展及应用电子回旋脉塞器件——回旋管，是以电子回旋脉塞不稳定性为机理的快波器件，回旋管的发展首先在前苏联科学院应用物理研究所进行，经过长期的努力，采用磁控注入电子枪终于研制成功了能在毫米波、亚毫米波波段产生大功率的回旋管。

毫米波大（高）功率相干电磁辐射在军用和民用方面有着巨大前景。

随俄罗斯人之后，世界上许多国家，特别是美国，大批科学家都投入了这个领域的理论和实验研究工作，使回旋管的研究工作成为所属学科研究的前沿和热点。

从上世纪70年代中期至现在，研究工作经久不衰。

回旋管本身及其应用研究均取得了很大进展，回旋管已发展成为一个多品种的大家族，它们包括回旋振荡管（Gyrotron Oscillator）、回旋返波管（Gyro-BWO）、回旋速调管（Gyroklystron）、回旋行波管（Gyro-TWT）、回旋磁控管（Gyro-Magnetron）、回旋自谐振脉塞（Gyrotron Autoresonance Maser）等等。

凡是普通微波管有的品种，它都拥有。

在世界各国，包括美、俄、德、日本、英、法等国，对回旋管进行了大量工作，中国从上世纪70年代后期开始在电子科技大学、中科院电子所、电子12所等单位先后在不同时期开展了对回旋管的研究工作。

回旋管在毫米波波段产生的巨大功率以及相干毫米波电磁辐射的优良特性，使它在军事与民用等方面都有着十分重要的应用前景。

0.5THz二次谐波同轴回旋管的设计

ｇｙｒｏｔｒｏｎｏｐｅｒａｔｉｎｇｉｎｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｋｅｙｐａｍｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙｏｆｂｅａｎｉｓ
雷蕾
（电子科技大学物理电子学院，四川成都６１００５４）摘要：二次谐波回旋管所需磁场仅为基模的一半。极大地降低了对工作磁场的要求。基于回旋管线性和自洽非线性
理论设计了一只０．５ＴＨｚ回旋管，采用ＴＥ５６模为工作模式，分析了多项关键参数对注波互作用效率的影响，当其工作
ｄｅｎｓｉｔｙ，ｉｔ＇ｓｅｉｃｆｉｅｎｃｙｏｆｂｅａｍ－ｗａｖｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｉｓ２２．５２％ａｎｄｉｔ＇Ｓｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｃａｎｒｅａｃｈ５５ｋＷ．
电压为４９ｋＶ，工作电流为５Ａ。工作磁场为时９．９４Ｔ．效率为２２．５２％，输出功率可达５５ｋＷ。关键词：二次谐波：太赫兹：回旋管
中图分类号：ＴＮ１２
文献标识码：Ａ
（Ｓｃｈｏｏｌｏｆ脚ｓｉｃｅｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆＣｏｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５４，Ｃｈｉｎａ）

回旋管和高功率微波源技术资料 (GYROTRON AND HIGH―P0WER MICROWAVE SOURCES)

回旋管和高功率微波源(GYROTRON AND HIGH―P0WER MICROWAVE SOURCES)第一节发展概况第二节回旋振荡管 (Gyrotron Oscillator)一．回旋振荡管的基本工作原理二．主要技术性能三．产品应用范围四．技术发展趋势第三节回旋管放大器 (Gyrotron Amplifier)一．回旋管放大器的基本工作原理二．主要技术性能三．产品应用范围四．技术发展趋势第四节高脉冲功率微波源一．高脉冲功率微波源的基本工作原理二．主要技术性能三．产品应用范围四．技术发展趋势第六章回旋管和高功率微波源 (GYROTRON AND HIGH―P0WER MICROWAVE SOURCES)第一节发展概况高功率微波源通常指频率在1GHz到100GHz范围内能产生高功率辐射的真空电子器件或实验装置,分为振荡器和放大器两大类。

高功率微波源有两个范畴:高平均功率的微波源;和高峰值功率的微波源。

每一范畴的高功率微波源又有多种基于不同注波互作用物理机制的器件和装置。

高平均功率高功率微波源主要有回旋管类和速调管。

回旋管是一大类基于相对论性负质量效应的新型真空电子器件，1958年澳大利亚天文学家R.Q.Twiss在研究天体物理时，发现了回旋电子吸收电磁波能量的现象,于是预言应当存在回旋电子受激辐射机理。

1959年前苏联物理学家A.V.Gaponov及美国科学家J.Schneder独立提出电子回旋脉塞机理。

60年代美国科学家J.L.Hirshfield和前苏联科学家A.V.Gaponov各自进行了实验验证。

在此基础上，前苏联科学家们解决了大功率回旋电子注的产生和强磁场的建立的关键技术,在1974年率先研制出大功率回旋管。

我国于1977年开始了电子回旋脉塞的研究工作，已研制出3mm到2cm的多种回旋振荡管、准光腔回旋管、三次谐波永磁包装回旋管、8mm回旋行波管和回旋速调管等。

回旋管包含了很多种器件,凡普通微波管具有的管种,都可以找到相对应的回旋管管种。

110GHz回旋速调管放大器的设计与模拟

所以电子注平均半径尼选择在最大场位置上，耦合系数最大。由此可估算出电子引导中心半径在０８ｒ．２ｍ左右较为合适。ａ其中为谐振腔的总品质因数，￡为互作用长度。由此公式
【收稿日期】２１— ８２０００ — ２【作者简介】杜梅娟，女，电子科技大学物理电子学院在读硕士生。
表１
ｒｄｕｓ Ⅲ ）ａｉ（ｍ
３０４．５２５３０７．４
结构参数
ｌｎｔ暇ｅｇｈ（
５２０、６
１６
ｓｒｌｈｔａｉｔｇ
５
，（Ｒ一）Ｏ），Ｅ（
这里ｏ，１。又
。：
（）漂移段和整管的设计二
漂移段首先要保证电子顺利通过，同时又能有效截止Ｔ模的干扰。另外漂移段长度对输出功率也有较大影响，漂移
段过长时，电子注群聚将会出现过群聚现象，而漂移段过短
回旋速调管是一种回旋放大管，其高频结构由两个或多
个分离的谐振腔构成，相邻两腔由对微波截止的漂移段连接。微波信号在第～腔注入，要作用是对电子注进行相位调制，主在轴向磁场的引导下，电子注在漂移段进行进一步的角向群聚，并且在输出腔发生注～波互作用换能，将电子注的角向动能转变为微波信号的能量，最后输出窗输出被放大的微波信号。因此，回旋速调管以电子回旋谐振受激辐射机理为基
（）２
（３）（）４
（）ｍｇｃ模拟结果及分析三ａ

220GHz同轴腔回旋管的研究

ａｔｎｗｅｃｉｇｐｏｒ
ｏｆｅｅｔｏｎｃｅｆｃｅｙｉｌｃｒｉｓｆｉｉｎｃｎ
摘要：轴谐振腔是目前有望提高电子效率的方法之一，圆柱腔中加入内导体轴，以使工作模附近的模谱变稀有利同在可
式中：ｋ为纵向波数，为电子纵向速度，Ｚ回旋是谐波次数，是电子回旋角频率。对于回旋单腔叫
毫米和亚毫米波段能以多种方式产生高脉冲峰值功
维普资讯
・
研究与设计
・
２０ＧＨｚ同轴腔回旋管的研究２
李成辉，鄢扬，连城夏
６Ｏ５）１Ｏ４（子科技大学物理电子学院，川成都电四
Ｓｕｙｏ２ｔｄｆａ２０ＧＨｚＣｏｘｉｌＣａｉｙＧｙｏｒｎａａｖｔｒｔｏ
叫一是一。０ ≈ （）１
的快波器件，工作机理的本质是利用电子在磁场其
中回旋频率的变化及电子的相对论质量效应产生相对论角向群聚，而实现电子与电磁波的能量交换。从回旋管结构相对简单，很宽的频率范围，在特别是在
ｂｃｍｅａｅ，ａｈｉａｅｂｅｅｉｉＩｔｄｅｅｅｔｏｎ，ｒｓｒｉｈｅｏｓｒｒｎｄｔｓｃｎｂｎｆｃａｏｍｏＩｓｌｃｉｅｔａｎｔｅｍｏｄＩｃｍｐｅｉｉｎａｅｏｅｙｅｅｏｔｔｏｎｄｒｃｖｒ — ｌｃｒｎｂｅｍｏｓｅ — ｏａｉｙ．Ｉｈｉｅｔａｔｏｅｉａｅｅｒｈｔｈｅｃｘａｖｇｄａａｒｅｅｔｏａｔｔｐｄｗｎｅｓｌｎｔｓｔｘｈｅｒｔｃｌｒｓａｃｏｔｏａｉｌｗａｅｕｉｅｗｓｃｒｉｄｏ，ｔｎｌｅｃｆｖｒｏｕｒｍｅｅｓｗａｎｌｅｕｔｈｅｉｆｕｎｅｏａｉｓｐａａｔｒｓａａｙｚｄ，ａｄａｎｕｅｉａｎｌｓｓｉｈｅｃｍｐｕｔｒｗａｒｎｍｒｃｌａａｙｉｎｔｏｅｓｐｅ — ｆｍｅ．Ｆｉｌｙ，ａｃａｉｌａｉｙｓｒｃｕｅｗｈｃｃｎａｈｉｖｒｈａ０ｏｒｄｎａｌｏｘａｃｖｔｔｕｔｒｉｈａｃｅｅｍｏｅｔｎ４ｔｏｙｗａｂｔｉｅ．ｈｅｒｓｏａｎｄＫｅｒ：Ｇｙｒｔｏｙｗｏｄｓｏｒｎ；Ｃｏａｉｌｃｖｔｘａ— ａｉｙ；Ｃｕｔｏｆｆｅｕｅｃ — ｆｒｑｎｙ；Ｓｔｒ — ｓｉｌｔｎｃｒｅ；Ｂｅｍ— ｖｎｔｒａｔｏｃｌａｉｇｕｒｎｔａｗａｅｉｅ —

95GHz回旋管内置准光模式转换器仿真设计

Ｓ－ａｐｌｎ
＼
ｌｆ）＿＇／，
（）ｈｓｉｂｐａｅｈｆｓｔ
９５ＧＨｚ回旋管内置准光模式转换器仿真设计
施美友，屈劲，薛长江，潘文武，陈世韬，余川胡进光，
（．中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳６１０；２１２９０．中国工程物理研究院研究生部，四川绵阳６１０）２９０
摘要：高功率毫米波回旋管输出的高阶模式不利于空间传输，须进行模式转换。由于不便采用波导必模式转换器，因此对内置准光模式转换器进行了研究。内置准光模式转换器由Ｖａｏｌｓｖ辐射器、抛物柱面镜准
１理论原理．
相位修正镜的矫正原理如图１所示［。当镜面变形时，射波束照射到平面镜（入Ｓ
面），ｒ是入射波束在Ｓ面上的场分布，上Ｕ（）
Ｕ（ｒ
Ｕ（）ｒ是镜面变形后反射波束在镜面表面的场分布，ｚｒ △ （）是镜面的变形量。在远离］
和相位修正镜组成。基于标量衍射理论和ＫＡ算法，制了数值模拟程序，计了相位修正镜。计算分析了Ｓ编设参考平面处的场分布，明该准光模式转换器的标量转换效率大于９，量转换效率大干９。计算结果表８矢３表明，方法可以高效地指导准光模式转换器的设计。该关键词：准光模式转换；相位修正镜；标量衍射理论；Ｔ模Ｅ

用于170 GHz兆瓦级回旋管的倒置磁控注入电子枪的设计

Kyy words： 170 GHz, Mega-watts, Gyrotron, Inverse magnetron injection gun, Opera-3D
具备产生兆瓦级连续波功率的回旋管被广泛应
用
( ITER(170 GHz"24 MW#"
器 W7-X(140 GHz"10 MW# 及 EAST
很严重，如图2所示。造成电子截获的主要 I
VACUUMELECTRONICS 真空电子技术
为：①由电子注轨迹与磁场相交两次形成的磁势阱;
②发生在
的效应「7+。为了 L
上述，文献［8］提出了
注入电子枪(In
verse Magnetron Injection Gun, IMIG)的概念，该
电子枪用于2 MW、170 GHz同轴腔回旋管，通过仿
LU 2019-03
为利用回旋电子注与电磁波进行互作用，通过
将电子注回
产生的横向能
给电磁波,
从而实现放大。由此可知，具备符作用要
求的回旋电子注是回旋管工作的
，而产生电子
注的注入电子成了回旋管的重要内容
& 受到超导磁体温孔尺寸的限制，阴极发射极的
半径
，进而
作电
步
&此外，常规注入电子枪的电子截获问题
真空电子技术 VACUUMELECTRONICS
-21届电子学会年会优秀+ (论文-
用于170 GHz
管的倒置磁控
电子枪的
曾旭，冯进军 (北京真空电子技术研究所微波电真空器件国家级重点实验室，北京100015#
摘要：兆瓦级太赫兹回旋管是热核聚变等离子体加热用电子回旋谐振加热系统最重要的功率源。磁控注入电子枪作为回旋管的重要部件之一，设计结果的好坏直接决定了整管的性能，但随着工作电流的增大，常规磁控注入电子枪出现了阴极发射电流受限以及电子截获等问题&为了克服上述问题，本文针对170 GHz兆瓦级回旋管的工作参数需求，设计了一种倒置磁控注入电子枪。基于Egun和Opera-3D的仿真结果表明，所设计的倒置磁控注入电子枪可以解决阴极发射电流受限以及电子截获等问题，同时，在电子注加速电压80 kV、电子注电流40 A的条件下，电子注的导引中心半径为7. 41 mm,横纵速度

W波段TE_(62)-TEM_(00)准光模式变换器

Ｖｌｏ射器的分析方法，立了数值模型，进行了计算分析。继而推导ｌ自适应相位修正Ｋｔｅｅｎａｖ辐ｓ建并『ａｓｎｌｅｂｕｉｅｎｖ法，制了相位修正反射镜自适应设计分析程序。在上述理论工作的基础上，对３Ｉｍ波ａｌ— ｍｅｏ算ｘＳ编针ＩＴ
第２３卷第１期１２１年ｌ０１ｉ月
强激光与粒子束
ＨＩＨＰＯＷＥＲＬＡＳＧＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＩＥＢＥＡＭＳＣ
Ｖｏ１２．３，ＮＯ．１Ｊ
ＮＯＶ．．２０ｌ１
文章编号：ｌＯ — ３２２１）１３１５Ｏ１４２（０ｉＩ — １２０
段Ｔ至ＴＭ准光模式变换器开展优化设计，到了ＶｌｏＥＥ得ａｖ辐射器、位修正反射镜的相关参数，完成ｓ相并了实验样品的加工和相关实验测试。结果表明：出模式纯度大于９，试结果与理论计算具有良好的一输４测
能流沿着螺旋方向行进，全部通过图１所示的矩形口径面。这且样就可以用矩形口径面上的场来分析圆极化ＴＥ模式激励的
图ｌ等效口径场法示意图
Ｖｌｓｖ射器。由于这种方法忽略了螺旋切割结构对场本身的扰动，ａｏ辐同时计算时未考虑格林定理所要求的在积分面上的连续性条件，因此其计算结果与实际情况有较大偏差。为了解决这一问题，本文以口径面场积分法和等效电流法为基础，出了一种迭代矢量绕射算法，提它能够较好地兼顾速度和精度两方面的要求，速地给出电大尺寸辐射器的辐射特性。快其基本思路如图２所爪，将

426GHz回旋管准光模式变换器

ｔｈｅｏｒｙ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆａＶｌａｓｏｖｒｅｃｔａｎｇｌｅ — ｃｕｔｌａｕｎｃｈｅｒａｎｄｔｗｏｃｕｒｖｅｄ — ｍｉｒｒｏｒｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｏｐｅｒａ —
・
微波管与系统研究
・
４２６ＧＨｚ回旋管准光模式变换器
王维，刘顿威
（电子科技大学物理电子学院太赫兹科学技术中心，四川成都６１００５４）
ＡＱｕａｓｉ — ＯｐｔｉｃａｌＭｏｄｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒｆｏｒ４２６ＧＨｚＧｙｒｏｔｒｏｎ
ａｂｏｕｔ８９．０９／６．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｇｙｒｏｔｒｏｎ，ＴＨｚ，Ｑｕａｓｉ — ｏｐｔｉｃａｌｍｏபைடு நூலகம்ｄｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
摘要：采用几何光学模型研究并设计了一个由Ｖｌａｓｏｖ矩形开口辐射器和两级曲面反射器组成的太赫兹回旋管准光模式
ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｑｕａｓｉ — ｏｐｔｉｃａｌｍｏｄｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｆｏｒａＴＥｏ６ｍｏｄｅｇｙｒｏｔｒｏｎｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｏｐｔｉｃｓ

W波段准光模式变换器的设计

W波段准光模式变换器的设计张天钟;喻胜;张颜颜;牛新建;李宏福【摘要】准光模式变换器是大功率输出回旋管的关键部件.采用高转换效率的准光模式变换器可以横向输出电磁波,增大收集极的尺寸,提高回旋管的输出功率,提高整管效率.该文设计的回旋管内置准光模式变换器由Denisov辐射器天线和四个反射镜组成,输入频率为94GHz,模式为TE6.2模.采用耦合波理论分析和优化了Denisov辐射器内的场分布,并根据矢量绕射理论编制数值模拟程序计算了各个反射镜上的场分布,其输出功率转换效率达9r7.2％.利用三维全波仿真软件fek06.0进行对比分析,最后加工所设计的结构并内置于回旋振荡管进行热测实验,结果表明其输出场分布与理论计算结果基本一致.【期刊名称】《电子学报》【年(卷),期】2015(043)012【总页数】8页(P2360-2367)【关键词】准光;模式变换;TE6,2模式;高斯模式【作者】张天钟;喻胜;张颜颜;牛新建;李宏福【作者单位】电子科技大学物理电子学院,太赫兹科学技术研究中心,四川成都610054;电子科技大学物理电子学院,太赫兹科学技术研究中心,四川成都610054;电子科技大学物理电子学院,太赫兹科学技术研究中心,四川成都610054;电子科技大学物理电子学院,太赫兹科学技术研究中心,四川成都610054;电子科技大学物理电子学院,太赫兹科学技术研究中心,四川成都610054【正文语种】中文【中图分类】O441.4高功率高频率回旋管是一类重要的微波器件,近年来受到国内外的普遍重视.回旋管主要应用于等离子体加热、回旋共振加热(ECRH)、回旋辐射诊断和回旋电流驱动(ECCD)等[1].由于国际热核聚变实验堆(ITER)计划的需要,使得回旋管向更高频率和功率方向发展.然而随着输出功率的提高,回旋管的高频结构不断增大而需工作于高阶模式[2],给电磁波的传输和模式变换带来了困难.高阶模式在传输过程中呈空心状,存在严重的绕射和反射损耗,不利于在自由空间中直接传输或辐射[3,4].因此,需要将高阶腔体模式转换成利于在自由空间中传输的低阶模或者利于在波纹波导中传输的高斯模.采用传统的波导模式转换器不能很好的抑制寄生模式,存在复杂的极化波[5,6].准光模式变换器结构尺寸小,绕射损耗低,模式转换效率高,辐射场成高斯分布[7].国际上高功率输出回旋管通常采用准光模式变换器横向输出电磁波,从而提高整管的效率.德国KIT研究出的回旋管内置准光模式变换器,工作频率140GHz,模式为TE28,8,采用三个反射镜功率转换效率达98%[8,9].MIT研制出的准光模式变换器工作频率110GHz,模式为TE22,6,输出基模高斯模式含量为95%,转换效率为98.2%[10～13].德国KIT中心和法国Thales公司等联合研制的回旋管输出频率为170GHz,模式为TE34,19,后级采用准光模式变换器输出TEM00模,变换器的转换效率为99.6%[14].国内回旋管的研究和发展受到普遍重视[15～18],功率和频率要求越来越高,但对准光模式变换器的研究处于理论研究阶段[19,20],值得深入的研究和实验分析.针对正在研制的百千瓦量级的回旋管设计其内置准光模式变换器,要求输入频率为94GHz,TE6,2模,转换效率达95%以上.传统的模式变换器结构大,无法内置于回旋管中,而Vlasov辐射器转换效率不大于80%,因此文中设计的准光模式变换器由Denisov辐射器和四个反射镜组成.采用耦合波理论分析了Denisov辐射器内的场分布,并根据矢量绕射理论计算反射镜上的场分布,利用三维全波仿真软件feko6.0以及热测实验进行对比分析.准光模式变换器的辐射器主要有Vlasov和Denisov两种类型,Denisov型辐射器是Vlasov型辐射器的改进结构.工作于高阶旋转模式或者高阶边廊模式的回旋管通常采用Denisov型辐射器把螺旋传输的电磁波经螺旋切口输出.由于螺旋切口的旋转方向与电磁波方向一致,因此最先到达切口起点的电磁波先向外辐射,随后的电磁波经螺旋段多次反射后最终经切口的第一个布里渊区输出.如此展开后的电磁波不再是椭圆极化波而是成了线性极化波,而且波束中心为实心.这种未经扰动的电磁波在波导内的角向上成均匀分布,切口边沿上的场比较强,形成剧烈的边缘绕射和反射,而反射的电磁波会加热回旋管的互作用高频结构,影响波和电子的稳定工作,因此需采用微扰段对输出前的电磁波进行预聚束,将输入高阶模式变换成类基模高斯波束,减小了螺旋切口边缘上的场,从而提高准光模式变换器的转换效率.经Denisov型辐射器直接辐射出的高斯波束通常不能满足回旋管的要求,需要几个反射镜来改变波束的参量和传播方向,最终从输出窗向外辐射.该文设计的准光模式变换器由带有扰动段的Denisov辐射器和四个反射镜组成.Denisov辐射器把输入的TE6,2模式94GHz电磁波转换成类高斯波束后辐射到第一个反射镜上.由于Denisov辐射器长度比较短,为满足现有磁体及回旋管的要求,后级还需要三个反射镜对类高斯波束进行幅度和相位校正,同时延长整个准光模式变换器的长度.该准光模式变换器的各个元件的相对位置关系如图1(a)所示.图中Denisov辐射器的输入端口位于坐标轴的原点.第一个反射镜为准椭圆柱面,其母线平行于Denisov辐射器的中心轴,随后的两个反射镜为抛物柱面,母线垂直于Denisov辐射器的中心轴,而且位于辐射器的两边,最后一个反射镜为平面镜,它不改变波束的束参量,但是改变了波束的传播方向,把电磁波导向输出窗.电磁波在规则圆波导中传播时,能量并不存在波导中心处而是集中于焦散圆和波导壁之间,因此从切口辐射出的电磁波沿与传播的路径反向延长的射线并不是汇聚于波导中心,而是偏离波导中心一段距离,这段距离就是焦散半径Rc,如图1(b)所示.当采用椭圆柱面把电磁波从一个焦点传播到另一个焦点时,要对椭圆的参数方程加以修正,使从螺旋切口输出的电磁波都汇聚于椭圆的另一个焦点上.经过修正后的参数方程为式(2)中2是准椭圆的第二个焦点的坐标,1为焦点与准椭圆和横轴的交点的距离,Rc 为焦散圆半径.通常准光模式变换器的中心位于准椭圆的一个焦点上,电磁波经椭圆反射后汇聚于另一个焦点上.由于其母线平行于Z轴,椭圆柱面只对于角向电磁波进行聚束,在纵向上只改变束方向,不改变束参量.当采用绕射积分法等计算各个反射镜上的场分布时,通常要计算反射镜面的法向量.由于式(1)给的是准椭圆面参数方程,其法向量可以由偏导数的叉乘给出,即准椭圆柱面反射出的电磁波辐射到第一个抛物柱面上.抛物柱面为单焦点曲面,通常用来汇聚光束,在这里用来汇聚电磁波束.为了满足回旋管的要求,需要两个抛物柱面来延长准光模式变换器的长度,使电磁波离开磁体的端面后再向管外辐射.抛物柱面的参数方程为一维高斯分布与余弦函数分布如图2,在某种条件下,采用式(5)计算其相似度可以达到99.7%.而余弦函数分布可以由三个特定的常规波导模式叠加而成,如式(6).y2=B[eiβjz+αeiβj-Δmz+αeiβj+Δmz]因此,二维高斯模式场分布可以由九个特定的常规波导模式以特定的幅度和相位叠加而成,幅度关系如表1.从表1中可以看出,TEm,,n模式指数在角向和纵向上都发生变化,根据耦合波理论半径只沿着纵向发生变化时,只能耦合出径向指数n一样,m 不同的模式,为了耦合出表1中的各种模式,需要半径沿着角向和纵向都在扰动而且扰动幅度是连续的扰动结构.最通常也是最容易想到的结构就是螺纹形式扰动,螺纹形式可以采用正弦和余弦形式,两者结构一样,相位差90度.文中采用如式(8)的余弦式螺纹波导壁扰动结构.矢量绕射积分法常用于计算天线的辐射场和反射场,其相对于求解电场积分方程法等具有计算速度快,占用内存小等优点.矢量绕射积分的基本原理是把场源上的任一点看成是新的二次球面波源,接收面上的任一点的场是所示源点在场点的线性叠加.Stratton-Chu公式是较严格的矢量绕射理论计算公式如式(10)和(11),利用它可以快速的计算出各个反射镜面上的电磁场分布和电流分布.根据上述的准光模式变换器的分析方法,采用MATLAB语言编写了准光模式变换器的数值模拟程序,并以工作于94GHz,TE6,2模式的回旋管内置准光模式变换器的设计作为例子.设计中先根据工作参数采用耦合波理论优化了Denisov辐射器扰动段的长度和扰动幅度,在波导壁上得到很好的高斯束斑,同时在角向上得到一条壁电流很小的路径,这条路径即为辐射器的切口.把切口后的第一个布里渊区作为辐射场的二次场源,利用矢量绕射积分方程可以得到椭圆柱面上的场分布.反复利用矢量绕射积分法可以得到各个镜面上的场分布.根据高斯束理论中的ABCD法可以得到各个镜面的初始相对位置和曲面参量.最后根据数值计算方法的结果对各个镜面的位置和参量进行微调,使得在输出窗处的束斑最接近基模高斯波束.Denisov辐射器的优化过程中,先根据各个模式在稳定时的相对功率大小,调节扰动幅度,使功率分布满足表1.经优化Denisov辐射器扰动段的长度和扰动幅度后,各模式相对功率沿纵向分布及变化规律如图3所示.此时Denisov辐射器沿φ=0的母线展开后壁上的壁电流密度分布如图4(a)所示.通常,切断辐射器壁电流会产生强列的反射和绕射现象,降低转换效率和高斯模式纯度,因此切口应该沿着壁电流分布最弱的地方切开.图中白色实线为辐射器螺旋切口的边缘曲线,平行四边形框内为切口后的第一个布里渊区.类高斯分布的电磁波从螺旋切口的第一个布里渊区输出并辐射到准椭圆柱面上.此Denisov辐射器的切口起点在21mm处,切口纵向长度为15mm,切口边缘处的电流小于-20dB,切口对辐射场分布的影响可以忽略不计,辐射器总长为36mm,能够满足准光输出回旋管的要求. 为了验证所设计的Denisov辐射器的可行性,采用三维全波仿真软件进行仿真分析.仿真中,辐射器的输入端口设置为“波导端口”,输入的是94GHz,TE6,2模式的旋转模式,为了方便计算,输入功率为100W,求解方法采用多层快速多极子算法,观察面为比波导平均半径略小的圆柱面,观察场为近场.经计算得出切口处的场分布如图4(b)所示.图中可以看出在切后的第一个布里渊区处得到了一个类高斯分布的场,沿着平行于Z轴的边缘有两个极值点,与数值计算结果对应的是图4(a)的A点和B点;沿着螺旋边沿,在第一个布里渊区的下方存在一个极值点,与数值计算结果对应的是图4(a)的C点.这说明了数值计算结果与仿真结果一致.为了计算反射镜面上的场,首先假设波导切开前后其内部电磁波的变化很小可以忽略不计,满足这个条件的前提是切口边沿处的场很弱.前面的计算及仿真结果均能满足条件,因此可以采用切口后第一个布里渊区作为计算椭圆柱面上场分布作为二次源.编写了矢量绕射积分的计算程序并分析了电磁波在椭圆柱面上场分布如图5(a)所示.由图可知,中心功率密度最大,随着半径的增大,功率密度快速减小,类似于高斯模式分布,但其等功率密度曲线并非圆形而是有一定程度的扭曲,原因是场分布中含有其它非基模高斯模式成分,需要后级反射镜进一步模式变换.沿着传播路径,电磁波经椭圆柱面反射后辐射到第一个抛物柱面上的场分布如图5(b).由图5(b)可知,抛物柱面上的场成椭圆分布,纵向半径大,需要对纵向进行聚束,因此第一个抛物柱面的焦点线平行了y轴.经抛物柱面聚束后等功率密度曲线得到了很好的转换,在第二个抛物柱面上基本形成了圆形且平滑的等功率密度曲线如图5(c).第二个抛物柱面对电磁波的束参量及相位进步修正,反射场在平面镜上的场分布如图5(d),可见,电磁波已经转换成基模高斯波束分布.最后一级反射镜为平面镜,它不会改变波束的束参量,只改变电磁波的传播方向,把它导向输出窗,在输出窗上的场分布如图6(a)所示,图中等功率密度曲线保持了圆形分布,束半径相对于在平面镜上时有了微小的改变,这是高斯波束在空间中传播束半径的自然变化造成的.电磁波经两个抛物柱面及平面镜进行聚束和导向后在输出窗上形成高斯束分布,此过程中,各个反射面的位置,镜面的尺寸参数,电磁波的传播方向等得到了优化,在离输出窗120mm处形成了束半径为30mm的高斯波束,经计算得出其功率转换效率达97.2%,基模高斯模式含量达98%.为了进一步分析电磁波在准光模式变换器的传输过程,采用三维全波仿真软件并利用其自带的多层快速多极子算法完整的仿真分析了所设计的整个准光模式变换器的结构,精确的计算出变换器的所有点位置的场.电磁波在模式变换器内的辐射过程如图7(a),图中选取了最有利于观察电磁波传输过程的角度进行分析,同时显示出了电磁波在Denisov辐射器中汇聚过程.可以看出,TE6,2模式的电磁波从z=0输入,电磁波在角向上成均匀分布,沿着纵向波导壁扰动逐渐增大,波导内产生了各个模式间的能量耦合,壁上场分布也得到汇聚,在切口后的第一个布里渊区得到了很好的高斯分布场.从Denisov辐射器切口输出的电磁波辐射中心点在z=43,x=25的椭圆柱面上,由于椭圆柱面在y方向上弯曲而在z方向上为直线,因此它不影响电磁波束在纵向上的束半径,只对y方向进行聚束.经椭圆柱面反射后的电磁波传输到抛物柱面上,抛物柱面沿z轴弯曲,改变了波束的纵向半径,同样的现象,经过第二个反射镜反射后辐射到平面镜上,平面镜只是改变了波的传播方向并不会改变波束参量.平面镜沿着y轴转过了15角度,使波平行于x轴正向输出.距离输出窗120mm处,获得功率密度分布如图6(b),可以看出能量都集中于窗口的中心,辐射场的旁瓣非常小,与图6(a)计算结果对比表明数值计算结果与仿真结果基本一致.把上述设计的准光模式变换器内置于回旋振荡管并进行热测实验.回旋振荡管的谐振腔内激起94GHz,TE6,2模式的大功率微波信号,经准光模式变换器转换成高斯模式分布的电磁波后从输出窗横向输出.实验中,在输出窗处放置一张热敏纸,回旋管辐射的电磁波被热敏纸吸收后转换成热量,在热敏纸上形成的温度分布反映出了电磁波的功率密度分布.采用红外照相机可以拍摄到热敏纸的温度分布,或者加大回旋管的输出功率可以看出热敏纸的烧斑图,如图7(b)所示.正如前面的计算结果,在输出窗处形成了圆形的高斯波束烧斑图,图中圆心处颜色与背景颜色看似相同,而实际是由于中心能量过高把热敏纸烧成了白色纸灰,同时实验结果也表明采用准光模式变换器可以增大了回旋管收集极的半径,提高收集极的散热能力,提高了回旋管的整管工作效率.本文采用耦合波理论及矢量绕射理论设计了一个由一个Denisov辐射器天线和四个反射镜面组成的回旋管内置准光模式变换器,工作频率为94GHz,输入模式为TE6,2模式.编写数值计算程序分析输入模式经Denisov辐射器耦合出混合模式后输出的场及电磁波在各个反射镜面的场分布,采用三维全波仿真软件仿真电磁波在整个辐射器的传输过程,并与数值计算结果进行对比,结果表明数值计算与仿真结果基本一致.最后对设计的准光模式变换器进行热测实验,表明设计的准光模式变换器结构满足百千瓦量级的大功率回旋管横向输出电磁波的要求.张天钟(通信作者) 男,1982年7月出生于广西省百色市.现在电子科技大学攻读物理电子学博士学位.主要从事于太赫兹回旋管的研究.喻胜男,1970年12月出生于湖北省襄樊市.1991年毕业于国防科技大学光电子技术专业,1996年与2002年在电子科技大学获物理电子学硕士及博士学位,现任电子科技大学物理电子学院教授,博士生导师.多年来从事回旋脉塞器件及相关应用的研究,“九五”、“十五”、“十一五”期间主持或参加了多项国家、部委重大项目的科研工作.获得国防科技进步二、三等奖及教育部自然科学二等奖,发表论文数十篇,目前的主要研究领域是:相对论电子学,大功率毫米波技术,毫米波回旋振荡器及放大器的理论与技术,微波、毫米波传输及模式变换.张颜颜女,1986年9月出生于山东省河泽市.主要从事于太赫兹回旋管的研究.牛新建男,1969年10月生于河南省新密市,教授,博士后,1998 年以来一直从事高功率微波技术及回旋器件的研制工作,参研和主持了国家863 计划项目、预研项目及国家支撑计划项目.在国内外重要学术刊物上发表论文40余篇.李宏福男,1936年11月生于四川开县,教授,博导,国务院政府特殊津贴专家,获国家、部、省级奖十余项,发表论文100 余篇.主要从事相对论电子学、微波电子学、高功率微波等领域的研究工作.。

95GHz TE03模回旋管内置渐变波导设计

中图分类号：ＴＮ８１１文献标志码：Ａｄｉ１．７８ＨＰＬ２１２０．４４ｏ：０３８／ＰＢ０２４６１３
内置渐变波导是回旋管内关键部件之一，用于连接谐振输出腔和收集极或准光辐射器，作用在于增大回其旋管内径，以利于交付能量后开始发散的回旋电子束通过。其效率的高低和模式转换会直接影响有效的辐射
３Ｂ满足设计要求。同旋管的热测实验中测出的模式样图表明，设计的内置渐变波导有效地实现了回旋０ｄ，所
管内径变化。该方法可以高效地指导高阶过模圆波导渐变结构的设计。关键词：回旋管；模式耦合理论；改进ＤｌｈＣｅｙｈｖ渐变波导；Ｔ。ｏｐ — ｈｂｃｅＥ。模
回旋管内置ＴＥ。式改进ＤｌｈＣｅｙｈｖ变波导。采用编制的数值计算程序进行优化，到了可靠的最。模ｏｐ — ｈｂｃｅ渐得优几何参量，计出了紧凑的９设５ＧＨｚ渐变波导。经全电磁场仿真验证，内置渐变输出结构对杂模的抑制达该
第２４卷第６期
２１０２年６月
强激光与粒子束
ＨＩＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＧＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳ
Ｖｏ１２．４，ＮＯ６．源自Ｊｎｕ．，２１０２

94 GHz缓变结构回旋管设计与数值模拟研究

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收稿日期：２０１３－０６０４；修订Ｅｔ期：２Ｏ１３０９１３基金项目：国家自然科学基金项目（１１２０５０２６）
ｌ理论模型
实践证明，回旋管自洽非线性理论能有效研究回旋管的性能特征，其由电磁场中的电子运动方程和有源广义传输线方程组成，具体表达式如下：
考虑相对论效应，描述电磁场中电子运动的洛伦兹方程为
第２６卷第２期２０１４年２月
强激光与粒子束
ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＩＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳ
Ｖｏ１．２６，ＮＯ．２
Ｆｅｂ．，２０１４
９４ＧＨｚ缓变结构回旋管设计与数值模拟研究
ｄ
（２）
一一
ｎ
（ｃ＋Ｃ ∽ １ｄａ
／ｊ￡，＝ｊ（ｏｆ／７２分别为
式中：ａ为谐振腔腔壁半径；），ｙ分别表示电波与磁波的传播常数；ｚ一
电波和磁波的波阻抗；．，，Ｊ分别表示电子注形成的横、纵向电流密度。ｅｌ（，．，（ｂ）代表规则直波导中正交归一化电场矢量波函数；ｖｌ（），ＩＩ（）分别为“ 电压” 、 “ 电流” 幅度函数；ｉ（ｉ）取“ １ ” 时代表电波，取“ ２ ” 时代表磁