多间隙扩展互作用系统中的注波同步、耦合及稳定性问题研究

The direct electric and magnetic coupling between the adjoining cavities in multi-gap coupled cavity chain makes the distributed circuits have the characteristcs of resonant cavity and slow wave structure at the same time.With the increment of the gap number, the eigenmode number will inrease in the cavity chain.The selction of operating mode and the suppression of spurious mode oscillation are very important technical ways to improve the stability in a extended interaction klystron (EIK).. Based on the space-charge wave theory and the basic formulas of kinematics, this project devotes to study the beam-wave synchronization and coupling, the coupling between different modes, mode-overlapping for improving bandwidth, back-wave oscillation and the stability in the bunching cavities and output section for the multi-gap cavity chain in the EIK. Through some theoretical analysis and numerical calculation, beam-wave interaction simulation and experimental investigation, search for the reasons resulting in the instability and the methods of the stabilization for the EIK operation.With above mentioned works, summarize the conditions for the stabilization of the beam-wave synchronization and coupling in the multi-gap coupled structure and provide the effective reference for the EIK amplifier development.

在多间隙扩展互作用系统中，腔与腔之间直接的电磁耦合使得多间隙耦合腔既有谐振腔的特点，又有慢波线的特点。同时腔中存在多个谐振模式，而且，谐振模式的个数随着间隙数目的增加而增加，因此，如何选择工作模式，抑制杂模，消除振荡，保证谐振系统的工作稳定性是多间隙谐振结构在实际应用中的瓶颈技术问题。.本项目基于空间电荷波理论和运动学基本方程，研究多间隙注波互作用系统中电子注与波之间的同步与耦合，模式之间的耦合，重叠模展宽带宽，返波振荡以及群聚段和输出段多间隙腔的稳定性问题。通过理论分析、高频仿真和大信号计算，寻找引起多间隙结构工作不稳定的原因及其稳定性实现的方法，总结在多间隙结构中不同模式与电子注之间实现稳定的同步与耦合的条件，为工程研制毫米波分布作用速调管提供合理的设计依据。

新一代国防武器装备和微波应用系统希望微波真空器件向高频率、高功率、宽频带和小型化方向发展。但是，以单间隙谐振腔为主要特征的传统速调管和以螺旋慢波线为主要特征的传统行波管在面临这种应用需求时，由于自身机理的限制，技术发展遇到了瓶颈。因此，探索和发展新机理与新结构的微波、毫米波器件已成为该领域具有重要战略意义的任务。因此，本项目对以多间隙扩展互作用结构进行了研究。主要工作及成果如下：.(1) 基于空间电荷波理论和粒子运动学方程，对多间隙扩展互作用系统中电子注与波的同步、耦合及稳定性等问题开展了理论和模拟分析，得到了实现模式稳定工作的判据和条件；.(2) 基于线性理论，分析了2π模工作时电子注电压、周期长度、频率和导流系数对耦合系数模的平方、归一化电子注电导和群聚电流特性的影响，对多间隙结构中注波同步和耦合进行了较为全面的讨论。.(3) 利用耦合腔无加载品质因素与电子注品质因数的比值来分析电路的稳定性，讨论了2π模工作时电子注电导和间隙数N对稳定性的影响，并以Ku波段三间隙耦合腔为例进行了深入探讨。 .(4) 开展了双槽型耦合腔慢波结构的高频特性和注波互作用线性理论的研究，得到该结构中慢电磁波传播的特点，几何参量与高频特性的联系，电子注与波相互作用的过程中各参量对器件增益的影响。这里从基本理论出发，对双槽型耦合腔这一复杂结构，寻求了一系列有针对性的分析方法；.(5) 将耦合槽串联电感的概念引入具有多槽且邻腔槽位置任意的耦合腔结构的Curnow 电路中，得到改进的Chodorow 结构及邻腔槽重叠的正交Chodorow 结构的色散特性和耦合阻抗计算式，方法快速简洁、物理模型清晰，适于初步的工程设计。.(6) 利用场论方法求解了邻腔耦合槽位置任意的双槽耦合腔慢波结构的高频特性。通过区域划分，利用格林函数法得到各个区域中的场，再将两相邻区域公共界面上的场用场匹配方程联系起来，求解场匹配方程，得到了色散特性和耦合阻抗的解析表达式。.(7) 利用电磁仿真软件分析对比了同样尺寸下休斯结构、Chodorow 结构以及正交Chodorow 结构中的电场分布，能流分布以及高频特性，分析了各自的特点及应用方向。.(8) 建立了双槽耦合腔慢波结构与实心圆形电子注互作用的物理模型，联立求解线性化带电粒子运动方程、Maxwell方程和连续边界条件，求得小信号下该结构中注波互作用问题的本征解。