PDF《S 波段长脉冲相对论速调管放大器中杂模振荡导致的脉冲缩短...》

1 所示, 工作频率为 2.88 GHz. 其中, 高频系统由3个谐振腔组成, 包括 输入腔、 中间腔和输出腔. 输入微波通过输入腔的 矩形波导注入到输入腔并对电子束进行速度调制, 电子束在后面的漂移管中群聚, 经过中间腔的再调 制后, 高度群聚的电子束进入输出腔中, 部分动能 转换为高频场能量并输出到外接负载, 实现利用电 子束的能量放大微波能量的目的 [6] . 图1S波段 RKA 的结构 ? 通讯作者. E-mail: [email protected] ?

2014 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 238402-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 63, No.

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238402 实验中, 电子束电压为716 kV, 电流为5.9 kA, 电子束电压和电流的脉冲半高全宽均约为

190 ns, 电子束内半径为

18 mm, 电子束外半径为

21 mm, 漂移管半径为

24 mm, 聚焦磁场为 1.1 T. 电子束 交变电流由漂移管壁上的磁探针测量, 测量时不接 RKA 输出腔, 在磁探针所在漂移管后接法拉第筒, 法拉第筒可以测得所在位置的电子束电流. RKA 输出微波经模式变换器和天线辐射到空间后由接 收天线测量, 其中模式变换器具有滤波作用. 中 间腔后漂移管中电子束的交变电流波形如图

2 所示, 其中基波电流分量由交变电流滤波得到. 电子 束交变电流中除了基波电流分量外, 还有较大的 3.60 GHz 杂频分量, 其中杂频分量主要集中在包络 的后半部分, 基波电流分量在杂频分量出现后迅速 减小. 输出到空间辐射场的微波波形如图

3 所示, 输出微波脉宽为

77 ns. 对比图

3 中的电子束电流 波形和输出微波检波波形, 可以看出输出微波脉宽 远低于电子束电流脉宽, 出现了明显的脉冲缩短现 象. 结合图

2 中杂频出现导致基波电流分量脉宽较 窄的现象可知, 输出微波脉冲缩短的原因是在电子 图2脉冲缩短时的交变电流波形及频谱 图3脉冲缩短时的输出微波波形 束的调制过程中出现了杂模振荡. 由于图

2 中电 子束交变电流是在没有 RKA 输出腔的情况下测 得的, 可以判断杂频分量产生在输入腔与中间腔 之间.

3 脉冲缩短的机理分析 为了分析脉冲缩短的原因, 通过三维粒子模拟 软件 CHIPIC 对S波段 RKA 进行了研究. 粒子模 拟采用图

1 所示模型的输出腔左侧部分 (不包含输 出腔), 左右两侧的漂移管端口以及输入波导入口 均设为吸收边界, 电子束电压为

700 kV (图4), 电 流为6 kA (图5), 模拟中电子束参数和各腔谐振频 率与实验参数基本一致. 在粒子模拟中监测输入腔 和中间腔的间隙电压, 发现在约120 ns 处开始出现 杂频分量, 杂频分量的频率为 3.58 GHz, 与实验结 果基本一致. 中间腔间隙电压波形如图

6 所示, 频 谱如图

7 所示. 图4电子束电压 Vo 波形 图5电子束电流 Io 波形 利用电磁仿真软件 CST 对杂模进行分析, 采 用的模型及边界条件与粒子模拟相同, 得到的 杂模场分布如图

8 所示. 其中杂模的谐振频率为 238402-2 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 63, No.

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238402 3.61 GHz, 与实验结果基本一致. 杂模场在输入腔 和中间腔间隙均为TM11 模式, 在漂移管中以TE11 模式传输, 导致输入腔和中间腔之间出现了场耦 合, 形成一个激发杂模的正反馈回路, 振荡原理与 两腔振荡器相同. 电子在输入腔被调制, 在中间腔 激励起微波场, 该中间腔中的部分微波场泄漏到输 入腔, 从而进一步调制电子束, 形成振荡. 图6中间腔间隙电压波形 图7中间腔间隙电压频谱 图8杂模的电场分布 输入腔和中间腔之间的场耦合相当于形成了 一个双间隙谐振腔, 可以用单腔理论进行分析. 微 波腔中的实际场强为 A(t)Ez(r, z), 其场激励方程 可表示为 [7?9] d2 A(t) dt2 + ω2 0A(t) + ω0 Q dA(t) dt = ?