双波段相对论返波振荡器模拟研究

　　相对论返波振荡器(RBWO)具有高功率、高效率、适合重复频率工作、结构简单等特点[1-2],其输出的微波功率已达到15 GW,功率效率可达50%[3],工作频率覆盖整个微波波段[4],是目前最有潜力的高功率微波产生器件之一。

　　目前,双波段相对返波振荡器的研究是相对前沿的课题,无论是粒子模拟还是实验研究,在国内外都鲜有报道,只有俄罗斯科学院应用物理研究所和电子科技大学从事过类似的工作[5-6]。俄罗斯科学院应用物理研究所研究人员采用内外半径相同、周期参数不同的两段正弦波纹结构,通过Karat软件模拟实现了频率为8.8,10.3 GHz的双频微波输出,输出功率1 MW,效率达10%;电子科技大学于1996年进行了双波段高功率微波源实验,其主体结构包含两种微波源-相对论返波管和Orotron管,并以T型结构连接至加速器,两束电子束分别与两种微波源发生相互作用,同步产生了的3 cm和8 mm波段的微波,辐射功率均在MW量级。

　　本文提出一种采用单电子束实现C波段和X波段微波同时输出的新型相对论返波振荡器,但物理结构与电子科技大学的不同,而且输出频率分属两个波段。器件采用相互隔开的两段盘荷结构作为主体结构,从而实现电子束能量的二次利用,具有潜在的应用前景。

　　1　具有谐振反射腔的双波段RBWO物理结构

　　器件的结构如图1所示,它由导引磁场螺线管、环形阴极、阳极、谐振反射腔,X波段盘荷结构、过渡段、C段盘荷结构、电子束收集极等组成。该模型采用谐振反射腔[7-9]代替截止颈有两方面的考虑:第一,使TM01波截止的截止颈半径须满足R<λ/2.62,频率越高,截止颈半径越小,在一定程度上限制了器件的功率容量;第二,如果采用截止颈,当两个波段的频率差距比较大时,二者慢波结构的径向尺寸差别也较大,因此不得不使用如图2(a)所示的磁力线位形才能完成有效的束波作用,而这样的磁力线位形必须依靠两段螺线管线圈来实现。在图2(a)中,前后两段螺线管线圈中的电流方向相同,因而中间区域轴向磁场方向相同、径向磁场方向相反,对应的轴向磁场分布曲线如图2(b)所示,可以看出前一段磁场大于后一段磁场,这样势必增加了器件的成本,也给实验带来一定困难。与图2中的模型相比,图1中谐振反射腔的使用不仅有效地实现了截止颈的作用,简化了外加磁场,同时使X段所需的导引磁场减小。

　　2　粒子模拟研究

　　应用Karat软件对图1中的物理结构进行2.5维全电磁粒子数值模拟,所采用的二极管电压为1 MV,电子束流为8 kA,导引磁场为3 T,图3所示为60 ns时典型的粒子模拟结果。

　　从电子束相空间图3(a)可以看出,电子束在两段慢波结构都得到了有效地调制;轴向电流图3(b)表明了电子束群聚块的空间分布,可以看出群聚块中心轴向间距在两段盘荷结构区各不相同,在X波段盘荷区较小,在C波段盘荷区较大,这与两个波段的微波波长相对应,进一步说明该结构中两个频率的微波被同时激励。图3(c)和图3(d)分别为饱和后的输出功率随时间的变化曲线及其频谱,功率稳定,频谱清晰,两个频点分别为5.42 GHz和9.58 GHz,功率效率约15%。图3(e)和图3(f)分别为输出功率波形及其频谱,输出模式为TEM模,平均功率为1.08 GW,两个频率对应的频谱幅度差约为2.17 dB。