基于渡越辐射低阻长脉冲新型高功率微波源的研究

传统的基于渡越辐射效应的高功率微波源通常阻抗较高，而且渡越时间振荡器往往采用栅网结构。高阻抗限制了注入电子束的功率，影响了输出微波功率的进一步提高；栅网结构容易产生等离子体，不利于高功率微波源的长脉冲和重频运行。本项目提出了一种基于渡越辐射的新型结构高功率微波源器件。新器件采用具有更高空间极限流的同轴结构来降低器件阻抗，提高了注入电子束的功率；采用无栅网结构来减少器件内部等离子体形成，提高了器件长脉冲和重频运行的能力。项目旨在通过对新型结构物理机制和物理问题的分析，研制出一台低阻抗、高功率、长脉冲和重频运行的微波源器件，论证新型结构的可行性，为渡越器件向着更低阻抗、更高功率、更长脉宽和更高重频发展奠定基础。

传统的基于渡越辐射效应的高功率微波源通常采用栅网结构，阻抗较高，不利于重频和长脉冲运行。本项目提出了一种基于渡越辐射的新型结构的高功率微波源。该新型器件去除了金属栅网，采用了具有更高空间极限流的同轴结构，一方面降低了器件阻抗，提高了注入电子束的功率，另一方面，去除栅网结构后，减小了器件内部产生等离子体的风险，提高了器件重频长脉冲运行的能力。首先，本项目开展了新型渡越结构的相关理论研究。通过修正现有的空间极限电流理论估算模型，给出了该新型结构中可以传输的空间极限电流，为同轴结构低阻器件的设计提供了依据；利用模式匹配理论求解了新型渡越腔结构中的调制场分布，证实了新型结构中的调制场呈现准体波特性，有利于提高器件的功率容量；推导得到了表征任意数目腔体结构中调制场与电子束发生能量交换的电子束归一化电导函数，通过该电导函数可以计算得到相应结构的工作电压范围。其次，在理论研究的基础上，通过模拟和实验研究，在L波段研制出了一套具有重频、长脉冲运行能力的，可输出功率达3.5GW的新型低阻渡越辐射高功率微波源。为了提高器件在重频、长脉冲条件下的工作稳定性，开展了改进结构的研究。改进型结构采用梯形调制腔，可有效降低器件表面的电场幅值，提高器件功率容量，其结构工作模式呈良好的体波特性；另外将电子收集极改为斜面结构，并将其与微波提取腔空间分离，避免了收集极处的等离子体效应对微波提取造成不利影响。最后，考虑到提高器件的工作频率及降低器件的引导磁场具有更好的应用前景，本项目在原有研究计划的基础上，开展了Ku波段低引导磁场新型渡越辐射高功率微波源的拓展研究，提出并设计了一套适合于重频长脉冲运行的Ku波段低磁场同轴渡越时间振荡器，并在二极管电压470kA，电流9kA，引导磁场0.7T，电脉冲宽度为55ns，重频5Hz，持续时间1s实验条件下，实验获得了输出功率1GW，频率14.3GHz，平均脉冲宽度24.5ns的高功率微波输出，其中单个脉冲宽度最大为26.5ns。实验中未出现明显的脉冲缩短现象，证明了其在低引导磁场条件下具有重频长脉冲运行的能力。