双频相对论返波振荡器的数值模拟

　　双频高功率微波源的研究是十分前沿的课题,国外仅有的报道是俄罗斯科学院应用物理研究所的N.S.Ginzburg等人于2003年对单频相对论返波振荡器的高频结构进行变形,采用KARAT软件进行粒子模拟得到功率只有1 MW,效率约为10%,频率分别为8.8 GHz和10.3 GHz的双频微波输出[1],但是,双频之间的频差1.5 GHz,相差很大。2007年中国工程物理研究院的陈代兵等采用磁绝缘线振荡器(MILO),用电磁模拟软件实现了L波段双频微波输出,功率效率为11%,频谱幅度相差0.4 dB[2]。

　　已有的实验结果表明,在现有条件下,单频高功率微波用于攻击敌方的电子系统所需的功率远远大于单个高功率微波源所能产生的功率,即破坏阈值很高[3]。但是,如果用两个或多个频率相近的高功率微波波束产生拍频后攻击电子系统,那么所需的功率密度将大大减小,即效应阈值下降,采用这种方式将有可能在现有的技术下使高功率微波实用化。目前,产生拍波方法其实质为用两套单独的单频微波源在空间或波导内进行合成产生拍波,这种方法存在很大缺点[4]:两微波源工作时,两台独立运行的加速器几乎不能同步输出,高功率拍波合成存在很大困难,而且研究成本十分昂贵。因而,用单个微波源产生稳定输出的双频高功率微波具有重要的学术价值和实际应用价值。为此,本文提出了3 cm双频双段式高功率相对论返波振荡器的设想,利用电磁模拟软件,通过对单频稳定输出的波纹内导体同轴相对论返波振荡器的慢波结构[5]进行优化,得到了优化后的模型参数,实现了双频高功率微波输出。

　　1　物理模型及色散特性

　　本文所研究的双频相对论返波振荡器如图1所示,采用两段无间隔相接波纹内导体同轴结构(两段结构的波纹周期长度、波纹周期数、波纹幅度均不相同)。由于两段慢波结构的波纹深度和周期长度有较小差别,其色散特性会有不同,电子注与波就会产生两个差别微小的互作用点,因此产生频差甚微的两个工作主频率。

　　同轴波导外壁内径为R,波纹内导体平均半径为R0,波纹幅度分别为Hp1和Hp2,波纹周期长度为Lp1和Lp2,波纹为正弦变化,波纹波数为:kp=2π/Lp,则波纹轴半径为:rw=R0+Hpsin(ikpz),热腔时与同轴结构同轴的环形电子注从波纹内导体表面掠过。

　　由于相对论返波振荡器的工作机理是相对论电子注与TM0n模式的电磁波发生相互作用[6-7],所以下面仅考虑TM0n模的情况。根据弗洛奎特定理,可推得该系统中的TM0n波场为

　　这样就得到了含有ω~k0关系的TM0n色散方程

　　在不加电子注的情况下,通过式(4)分别计算了第一、二段慢波结构的“冷”色散关系,并将该慢波结构的两段TM01模式曲线放在同一个坐标系中,如图2所示:图中直线是电压510 kV的电子注线,可以看出,电子注线与慢波结构第一段TM01色散曲线的交点A纵坐标约为9.8 GHz,与第二段TM01色散曲线的交点B纵坐标约为9.17 GHz,即两段内的注-波互作用工作频率点分别约为9.8 GHz和9.17 GHz。