纳秒脉冲宽谱微波器件技术研究

According to the requirement for the generation of ns pulse duration and wide band high power microwave radiation,the ns microwave device for such wide-band high power microwave radiation is proposed based on the BWO super-radiation. The key point lies on the requirement for the low voltage and low guilding magnet filed.The oversized structure is taken,and the simulation and corresponding mechanism study on the C band super-radiance BWO is carried on how the device can be high-efficiently operated on the condition with low voltage electron beam and low guiding magnet filed.The study includes:(1)the theoretical studies will be carried on how the low voltage electron beam produces the super-radiance in the oversize BWO high power microwave device;(2)the theoretical studise will be closely adjusted based on the simulation to more accurately reflect the large signal processes in the device;(3)with the given parameter of the beam of 25kV voltage and 80A current,and 0.1T guilding magnet field,the PIC simulation will be carried out to the optimized BWO structure,and the structure will be fabricated for the cold test in SWUST;(4)the corresponding experiment will be carried out in CAEP for the future application.

针对纳秒脉冲宽谱微波辐射源研制的需求，利用返波管（BWO）的超辐射机制，进行C波段、窄脉冲的宽谱微波器件研究，技术难点在于低压、低引导磁场的要求，因此器件采用过模结构来开展低压、低磁场引导情况下C波段超辐射返波管振荡器的模拟和机理研究，研究内容包括：（1）从理论上研究给出低压电子束产生超辐射的条件和特点；（2）结合粒子模拟，理论上给出低压电子束产生超辐射的条件和特点；（3）基于25kV、电流80A的电子束参数、0.1T引导磁场的粒子模拟，给出可以应用的结构，并在西南科技大学开展冷测实验；（4）结合中国工程物理研究院应用电子学研究所已有的实验平台进行结构优化设计，在平台上开展实验验证研究。本项目旨在以小型宽谱高功率辐射源研制需求为牵引，研究低压电子束产生超辐射的物理机制，进行纳秒脉冲宽谱微波器件的研究，实现纳秒脉冲宽谱微波辐射源的研制和试制。

针对纳秒脉冲宽谱微波辐射源研制的需求，项目利用BWO的超辐射机制，进行C波段、窄脉冲的宽谱微波器件研究，采用过模结构，开展低压、低磁场引导情况下C波段超辐射返波管振荡器的模拟和机理研究，本项目研究主要包括微波器件设计、热阴极二极管技术、和器件实验研究等方面。. （1）微波器件设计. 基于BWO 非线性理论，推导出描述BWO 束波互作用的非线性自洽方程组，运用数值方法,编写了Matlab 程序求解该非线性自洽方程组，得到了非稳态束波互作用，给出产生超辐射现象的基本规律，输出超辐射波峰值功率大约与参与互作用电子总电荷量的平方成正比；其次，研究电子束脉冲宽度、耦合阻抗和电子束流对输出超辐射脉冲的影响，以及达到辐射最大峰值功率所需电子束脉冲宽度；基于20kV、电流80A的电子束参数、0.1T磁场引导磁场进行粒子模拟，慢波结构采用过模结构，前端设计有Bragg 反射器，优化给出可以应用的BWO结构。. （2）热阴极二极管技术. 开展热阴极二极管技术研究。器件设计要求20keV/80A的脉冲电子束，阴极发射面积3.39cm2，发射电流密度约24A/cm2。为了满足器件对电子束的要求，阴极工作温度约1700℃，发射能力才能较好满足器件要求。纳秒量级脉冲宽度和很高的工作温度带来一系列物理和技术问题。在长期研究中，开展过直流发射特性和脉冲发射特性研究相关工作，不同的是脉冲宽度是微秒级，纳秒级脉宽电子发射特性具体如何是需要我们开展进一步实验研究的；电子枪的尺寸，特别是阴阳极尺寸直接影响电子枪性能，如何更准确地控制尺寸，使高温状态的尺寸和理论设计一致是重要研究内容之一。电子枪性能稳定是基本要求，而良好的结构设计是实现电子枪性能并保持稳定的首要因素，借助模拟计算和实验研究完善结构设计。. （3）器件实验. 结合粒子模拟对器件结构进行优化设计，对现有实验平台和磁场进行适应改造，达到20kV、电流80A的电子束参数、0.1T引导磁场，开展微波输出验证实验研究；并结合实验结果，对器件结构进行进一步优化，完成微波输出实验研究。