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带状注速调管是通过采用大宽高比的薄片状电子注,在保持适当工作电压和低空间电荷场的情况下,来提高注波互作用效率和增加功率容量的一种新型高功率微波电子真空器件。同时,带状注速调管具有体积小、重量轻、结构紧凑等特点,可工作于微波、毫米波甚至THz波段,并保证足够大的输出功率,在高能加速器、正负电子对撞机、超远程雷达、轻型高功率微波/毫米波武器和毫米波通信系统中具有广阔的应用前景,近年来在国际上受到了广泛关注。
带状注速调管的研制,尤其是其高频系统的设计严重依赖于注波互作用模拟软件,本论文的工作目标是开发一套运行效率较高,模拟结果较准确的带状注速调管注波互作用计算与分析程序。论文全面总结了带状注速调管及其注波互作用系统设计软件的发展历史及研究现状,提出了适用于薄矩形带状电子注的二维窄带宏粒子模型,设计了相应的算法,在此基础上开发了一套非线性注波互作用计算与分析程序SBK2D。论文的主要研究内容与创新点如下:
(1)总结了带状注速调管及其高频系统设计软件的发展历史和研究现状,对国内外成功用于带状注速调管注波互作用系统设计的一维和三维模拟软件进行了介绍,并总结了各自的优缺点。目前国际上还没有可用于带状注速调管注波互作用模拟的二维软件。
(2)介绍了常用的传统速调管注波互作用模拟软件及其物理模型。提出了一种适用于带状电子注的二维窄带物理模型,基于该模型采用格林函数法得到了带状电子注内的空间电荷场及空间电荷力的求解公式。同时,初步研究了带状注速调管中采用的哑铃型谐振腔,包括单间隙谐振腔和多间隙谐振腔,并给出了其典型的场形分布,谐振腔间隙场对电子注的影响采用端口近似等效模拟。
(3)基于二维窄带宏粒子模型,开发了用于带状注速调管的非线性注波互作用计算程序(SBK2D),包括稳定高效数值算法的设计以及程序代码的编写调试。
(4)利用SBK2D研究了带状电子注在不同静电磁约束下的传输情况,全面计算和分析了一支X波段高功率带状注速调管的注波互作用情况,得到了该器件的输出特性并与三维PIC软件MAGIC的模拟结果进行了比较,二者具有较好的可比性,从而验证了程序的物理模型和算法。同时,与三维PIC软件相比而言大幅度缩减的计算时间也说明了SBK2D的高效性和实用性。
(5)结合国家自然科学金资助项目(资助号:60971073),利用SBK2D对本实验室在研的一支W波段带状注速调管的高频系统进行了设计和优化。该速调管的设计指标为:电子注电压74kV,电流3.6A,漂移管横截面尺寸为8mm×0.72mm,电子注横截面尺寸为6mm×0.5mm。对高频参数进行反复优化后,经计算在输入功率为8W时,所设计的带状注速调管的输出功率达到53.57kW,获得了20.11％的效率和38.19dB的增益,基本达到了目标。最后,用MAGIC进行了计算验证。