由Cuccia耦合器驱动的高次回旋谐波潘尼管的理论与实验研究

毫米波通信、雷达，特别是高分辨率雷达的发展，迫切地需要研制结构紧凑、高效率的大功率毫米源，潘尼管因具有低磁场、高效率、高频率以及低电压的优点，正合乎这一要求。但由于产生大回旋电子注的cusp电子枪各参数相互制约，调节性能差，使得电子注质量成为困扰国内外高次谐波潘尼管的重大难题。本项目对此进行了创新性的探索，提出采用Cuccia耦合器产生的线状大回旋电子束驱动高次谐波开槽潘尼管的新方案，由于这种新型系统具有电子束能量、速度比和引导中心位置易于调节的优势，极有可能建立多用途实验平台，获得出色的实验结果。本项目拟对该器件进行深入的理论研究，建立Cuccia耦合器的自洽非线性理论以及潘尼管的线形理论与自洽非线性理论，设计软件包，详细分析线状大回旋电子注的特性以及影响潘尼管性能的各种因素并进行参数优化,在此基础上完成实验研究，为研制实用的高次谐波潘尼管探索一条新的途径。

为解决国内外高次谐波潘尼管研究中，大回旋电子注质量差、参数难调节的难题，本项目创新性地提出了采用Cuccia耦合器产生的线状大回旋电子束驱动高次谐波开槽潘尼管的新方案。.从基本物理规律出发，深入分析了Cuccia耦合器互作用区中均匀场近似下的单粒子理论，建立了快速的系统设计方法，并在此基础上建立了一套考虑高频场边界效应、空间电荷效应的自洽非线性理论以及器件模拟计算软件包。数值计算结果以及PIC粒子模拟结果显示：通过Cuccia耦合器可以产生高速度比、低速度离散的高质量绕轴回旋电子注。在这种系统中，可通过调节皮尔斯枪加速电压改变纵向速度，通过调节输入微波功率改变横向速度，使得电子注能量和速度比都在大范围内连续地、稳定地变化而不发生电子束反转。同时，通过调节入口处电子注的横向位置还可以改善偏心情况。特别重要的是，这些调节都不会引起束波动和速度离散的恶化。这些优点使得这种新型大回旋电子注源特别适合用于高次谐波潘尼管的实验平台中。.在深入研究管状大回旋电子注激励的潘尼管振荡器注波互作用机理的基础上，根据线状大回旋电子注的空间分布特点，考虑空间电荷效应，建立新型潘尼管的线性理论、自洽非线性理论模型，设计程序，并通过数值计算分析了线状大回旋电子注激励潘尼管的注波互作用特点。.采用Cuccia耦合器产生的线状大回旋电子注驱动高次谐波潘尼管，数值计算结果以及PIC仿真结果显示：这种新型的电子注源不仅容易获得，而且参数易于调节。当一束电流为0.5A，电压为6kV的层流电子由皮尔斯电子枪发出后，通过输入微波功率为16kW的Cuccia耦合器时，很容易获得一束速度比为2.3，束电压为37kV的线状电子注，驱动工作在30GHz的三次谐波潘尼管，最后可得到30GHz的射频信号输出，且输出功率为8kW，相应的微波能量转换效率为50%，器件效率为43%，获得与参数相同的理想管状大回旋电子注驱动相近的互作用效率，得到符合要求的输出模式与功率水平。.研究结果表明：由Cuccia耦合器产生的线状大回旋电子束完全满足潘尼管的要求，为高次谐波，低磁场潘尼管的实际应用提供了一种有效的解决途径。