回旋管准光辐射器研究与设计

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国际热核聚变装置用回旋管的现状及技术分析

，，，ＷＡＮＧ，ＬＩＺｈｉｌｉａｎＦＥＮＧＪｉｎｕｎＬＩＵＢｅｎｔｉａｎＥｆｅｎＺＥＮＧＸｕ－－－－ｇｊｇ
（ＢｅｉｉｎＶａｃｕｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＮａｔｉｏｎａｌＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｊｇｙｙｆｇｙ
ｏｎＶａｃｕｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｂｅｉｉｎ０００１５，Ｃｈｉｎａ）ｊｇ１
：ＡｂｓｔｒａｃｔＧｒｏｔｒｏｎｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｒｏｍｉｓｉｎｈｉｈｏｗｅｒｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒａｖｅａｎｄｔｅｒａｈｅｒｔｚｓｏｕｒｃｅ．Ｔｈｅ－ｐ－ｗｙｐｇｇｃｏｎｆｉｕｒａｔｉｏｎａｎｄｏｅｒａｔｉｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｏｓｃｉｌｌａｔｏｒａｒｅｂｒｉｅｆｌｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｔａｔｅｏｆａｒｔａｎｄｒｏｔｒｏｎ－－ｇｐｇｙｇｙ，ｄｅｖｅｌｏｉｎｔｒｅｎｄｏｆ１１０ＧＨｚ１４０ＧＨｚａｎｄ１７０ＧＨｚｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓｔｈａｔａｒｅｕｓｅｄｉｎｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｒｏｔｒｏｎｐｇｇｙｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒｆｕｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｓｏｍｅｒｅｍａｉｎｉｎｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｃｈｎｉｃａｌａｒｅｄｉｓｒｏｂｌｅｍｓ－ｇｐｃｕｓｓｅｄａｎｄｓｏｍｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｗａｓｔｈａｔｍａｓｏｌｖｅｔｈｅｒｏｂｌｅｍｓａｒｅａｌｓｏｒｅｓｅｎｔｅｄ．ｙｙｐｐ：／，，ＨＫｅｗｏｒｄｓＩＴＥＲ，ＥＣＲＨＥＣＣＤ，ＧｒｏｔｒｏｎＴｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒｆｕｓｉｏｎｉｈｏｗｅｒ－ｐｙｇｙ

第5章_高功率微波源

甚至亚毫米波的很宽的频率范围内产生高脉
冲功率与连续波功率
5.2.1 发展概况及基本原理
电子回旋脉塞期间包括一大类器件,这类期间又称为回旋管系列,属于快波器件. 电子回旋脉塞器件能以各种方式在跨越厘米波,毫米波甚至亚毫米波的范围内产生高脉冲功率与连续波功率
电子回旋脉塞发展历史
电子回旋脉塞起源于50年代末期,但是有3位学者开始进行电子回旋脉塞互相作用产生微波的理论研究.
第五章高功率微波源 Development and Appling of High Power Microwave(HPM)
5.1 引言
5.2 电子回旋脉塞及回旋管系列
5.3 相对论普通微波管系列 5.4 其他高功率微波器件
电磁波谱及主要产生方式
1 高功率微波(high power microwave-HPM)
如果高频场的角频率与电子回旋频率相等,受加速的电子数等于受减速的电子数如国高频场的角频率小于电子回旋频率.电磁波场的旋转速度略慢于电子的旋转速度,则电子的群聚落入加速场,有更多的电子受到加速而从波场获得能量,场被电子吸收能量而衰减. 如国高频场的角频率大于电子回旋频率,电磁波场的旋转速度略大于电子的旋转速度,则电子的群聚落入波场的减速区.在场的一个周期内,减速的电子数大于加速的电子数.净效果是电子注失去能量,将能量交给高频场,波场得到增强,于是产生微波振荡或放大.
非致命武器1美国陆军实验室正在研制的地面车辆制动装置就是利用微波源产生的脉冲波爆使远处的正在高速行驶的汽车失灵甚至报废2电力分配弹药epdmelectricpowerdistributionmanition当其飞抵目标上方时爆炸释放出大量松散的传导性碳纤维缠丝随风飘落缠绕在高能电缆上使电子设备严重短路3目前正在研制中的隐蔽式眩目激光武器是使用荧光技术其发射出的紫外光照射眼睛后眼睛会产生荧光感应出现视线模糊使人致晕但无致人失明的危险

国科发基〔2019〕381号.doc

附件国家磁约束核聚变能发展研究专项2019年度项目申报指南聚变能源由于资源丰富和近无污染，成为人类社会未来的理想能源，是最有希望彻底解决能源问题的根本出路之一，对于我国经济、社会的可持续发展具有重要的战略意义，是关系长远发展的基础前沿领域。

本专项总体目标是：在“十三五”期间，以未来建堆所涉及的国际前沿科学和技术目标为努力方向，加强国内与“国际热核聚变实验堆”（ITER）计划相关的聚变能源技术研究和创新，发展聚变能源开发和应用的关键技术，以参加ITER计划为契机，全面消化吸收关键技术；加快国内聚变发展，开展高水平的科学研究；以我为主开展中国聚变工程试验堆（CFETR）的详细工程设计，并结合以往的物理设计数据库在我国的“东方超环”（EAST）、“中国环流器2号改进型”（HL-2M）托卡马克装置上开展与CFETR物理相关的验证性实验，为CFETR的建设奠定坚实科学基础。

加大聚—1—变技术在国民经济中的应用，大力提升我国聚变能发展研究的自主创新能力，培养并形成一支稳定的高水平聚变研发队伍。

2019年，本专项将以聚变堆未来科学研究为目标，加快国内聚变发展，重点开展高水平的科学研究、大规模理论与数值模拟，CFETR关键技术预研及聚变堆材料研发等工作，继续推动我国磁约束核聚变能的基础与应用研究。

按照分步实施、重点突出原则，2019年拟优先支持11个方向，国拨总经费2.7亿元。

本专项的项目执行期一般为5年。

原则上所有项目应整体申报。

指南方向1–7，每个指南方向拟支持1~2个项目，须覆盖相应指南研究方向的全部考核指标，下设课题数不超过4个，每个项目参与单位数不超过6个。

指南方向1–7，原则上只立1项，仅在申报项目评审结果相近、技术路线明显不同的情况下，可同时支持2个项目，并建立动态调整机制，根据中期评估结果确定后续支持方式。

指南方向8–11为青年科学家项目，不设课题，每个指南方向拟支持不超过5个项目。

—2—申报单位根据指南支持方向，面向解决重大科学问题、突破关键技术及建立规模化资源共享平台进行整体设计、合理安排课题；项目负责人应具备较强的组织管理能力。

一种250GHz,输出功率为40W连续波的二次谐波回旋管设计

＝
（ｍａｒ）
１Ｏ．ｌ
１Ｏｌ．１ｏ，２
Ｔ．Ｔ２Ｅｓ，Ｅ．１２
ＴＥ６１
，
１５．。
ｓ。
ＴＥ６５ＴＥ７３
工作模式选择问题，然后，通过自洽非线性理论对回旋管内的电子注一波互作用进
行计算，从而获得最终结果。
根据以上各式，以及腔体半径、电子束半径与相应的贝塞尔零点，得到以下模
式可以被选择来做进一步的考虑：
Ｔ，Ｅ，ＴＴＴＥ６ｚｒＥａＥ３，
回旋管的设计目标为：
工作频率：２０５ＧＨｚ左右；出功率：输
３５（续波）０～Ｗ０连ｌ电子注电流００～００电子注电．５．８
压：ｌ４～２Ｖ０ｋ
Ｒ警ｇ＝Ｍ＝，＾ ‘ ． ‘
然而，对于工作于基波状态下的回旋
成功的。
００＝３５，，．。腔体半径Ｒ０２２ｒｍ，＝．５ａ互
作用区长度Ｌ可以选取２，９～３ｒｍ。经２ａ
计算，这样设计能得到较高的品质因数。
通过计算可知，ＴＥ模式的（，４）式计算值约为０５从而得出ＴＥ：．１模式为最佳选择。
图１给出了在不同互作用区长度下，
回旋管输出功率随作用区磁场变化的曲线。在这里，电子注电压Ｕ＝１ｋ５Ｖ，电
表１候选模式．基波竞争模式以及相应的电子半径
候选模式基波竞争电子束半径
模式

准光模式变换器研究与设计

回旋管具有高增益、高效率、高峰值功率、高平均功率等优点，适合作强功率雷达、电子高能射频加速器、电子回旋共振加热系统的功率源［１］。回旋管的输出模式一般为对称高阶体模（ＴＥ。，夕》１）或高阶边廊（ＴＥ，》１且Ｐ＝１或２），此模式无确定的极化方向，并且其轴向辐射呈不理想的空心圆锥状，因此需要模式变换器将回旋管输出的微波能量转换为适当的传输模式，实现高效率的微波传输及辐射＿３］。传统的模式变换器一般采用波导结构，波导结构的模式变换器主要针对低阶模式进行变换，对回旋管输出的高阶模式进行变换就会导致结构复杂、效率低、带宽窄，而采用准光模式变换器能实现高阶模式的高效紧凑转换［４］。准光模式变换器主要由伏拉索夫（Ｖｌａｓｏｖ）辐射器ｒ５及多级反射镜构成，Ｖｌａｓｏｖ辐射器的主要作用是将波导输出模式有效地向外空间辐射，且其辐射接近高斯分布，多级反射镜是为了输出波束更好地聚束和相位校正，使输出波束呈准高斯分布。由于回旋管输出的微波波长远小于波导的半径，因此对Ｖｌａｓｏｖ辐射器可以采用几何光学理论，对多级反射镜面的研究一般采用标量绕射理论］。国内对准光模式变换器研究还处于起步阶段［７］。本文基于几何

高阶过模Denisov辐射器设计

高阶过模Ｄｅｎｉｓｏｖ辐射器设计
薛长江，施美友，张永刚，徐刚
（巾国工程物理研究院应用电子学研究所，高功率微波技术重点实验室，四川绵阳６２１９００）
摘要：应用几何光学理论分析了高阶过模Ｄｅｎｉｓｏｖ辐射器的基本工作原理。以耦合波理论为基础，给出了高阶过模Ｄｅｎｉｓｏｖ辐射器的设计方法。结合３ｍｍ波段边廊模回旋管的具体参数，研究了３ｍｍ波段工作模式为ＴＥ。，。的Ｄｅｎｉｓｏｖ辐射器。采用编制的数值计算程序。优化得到可靠的最优波导壁扰动几何参量，据此设计出了紧凑的９６．４ＧＨｚ工作模式为ＴＥ的Ｄｅｎｉｓｏｖ辐射器。经全电磁场仿真验证，该辐射器壁电流发生了较好的汇聚，在切割边缘电流幅值降为汇聚中心点的１Ｏ，输出准高斯束能量转换效率为９６．５１Ｖ０。关键词：回旋管；模式耦合理论；几何光学；Ｄｅｎｉｓｏｖ辐射器
第２５卷第３期
２０１３年３月
强激光与粒子束
ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳ
Ｖｏ１．２５，ＮＯ．３
பைடு நூலகம்Ｍａｒ．。２Ｏ１３

引言(回旋管的工作机理)

第一章引言自从电磁场和电磁波被人们认识以来，经过人们不懈的努力，电磁波谱的许多波段相继为人们所认识，并加以利用。

在二次世界大战中，人们对雷达技术的需求推动了微波技术的迅速发展，许多微波器件相继问世，在雷达、通信、导航、医疗及工农业生产中得到了广泛的应用。

微波器件技术及理论日趋完善。

微波器件在微波波段已经得到了很好的应用，但在毫米波段遇到了许多困难。

而回旋管能很好的工作在毫米波波段，因而近40多年来受到各国的高度重视，得到了很大的发展，已逐渐进入了工程应用，深入的研究工作仍在继续进行。

§1．1回旋管的发展及应用电子回旋脉塞器件——回旋管，是以电子回旋脉塞不稳定性为机理的快波器件，回旋管的发展首先在前苏联科学院应用物理研究所进行，经过长期的努力，采用磁控注入电子枪终于研制成功了能在毫米波、亚毫米波波段产生大功率的回旋管。

毫米波大（高）功率相干电磁辐射在军用和民用方面有着巨大前景。

随俄罗斯人之后，世界上许多国家，特别是美国，大批科学家都投入了这个领域的理论和实验研究工作，使回旋管的研究工作成为所属学科研究的前沿和热点。

从上世纪70年代中期至现在，研究工作经久不衰。

回旋管本身及其应用研究均取得了很大进展，回旋管已发展成为一个多品种的大家族，它们包括回旋振荡管（Gyrotron Oscillator）、回旋返波管（Gyro-BWO）、回旋速调管（Gyroklystron）、回旋行波管（Gyro-TWT）、回旋磁控管（Gyro-Magnetron）、回旋自谐振脉塞（Gyrotron Autoresonance Maser）等等。

凡是普通微波管有的品种，它都拥有。

在世界各国，包括美、俄、德、日本、英、法等国，对回旋管进行了大量工作，中国从上世纪70年代后期开始在电子科技大学、中科院电子所、电子12所等单位先后在不同时期开展了对回旋管的研究工作。

回旋管在毫米波波段产生的巨大功率以及相干毫米波电磁辐射的优良特性，使它在军事与民用等方面都有着十分重要的应用前景。

0.5THz二次谐波同轴回旋管的设计

ｇｙｒｏｔｒｏｎｏｐｅｒａｔｉｎｇｉｎｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｋｅｙｐａｍｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙｏｆｂｅａｎｉｓ
雷蕾
（电子科技大学物理电子学院，四川成都６１００５４）摘要：二次谐波回旋管所需磁场仅为基模的一半。极大地降低了对工作磁场的要求。基于回旋管线性和自洽非线性
理论设计了一只０．５ＴＨｚ回旋管，采用ＴＥ５６模为工作模式，分析了多项关键参数对注波互作用效率的影响，当其工作
ｄｅｎｓｉｔｙ，ｉｔ＇ｓｅｉｃｆｉｅｎｃｙｏｆｂｅａｍ－ｗａｖｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｉｓ２２．５２％ａｎｄｉｔ＇Ｓｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｃａｎｒｅａｃｈ５５ｋＷ．
电压为４９ｋＶ，工作电流为５Ａ。工作磁场为时９．９４Ｔ．效率为２２．５２％，输出功率可达５５ｋＷ。关键词：二次谐波：太赫兹：回旋管
中图分类号：ＴＮ１２
文献标识码：Ａ
（Ｓｃｈｏｏｌｏｆ脚ｓｉｃｅｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆＣｏｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５４，Ｃｈｉｎａ）

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｑｕａｓｉ — ｏｐｔｉｃａｌｌａｕｎｃｈｅｒｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｏｆｑｕａｓｉ — ｏｐｔｉｃａｌｍｏｄｅｃｏｎｖｅｔｒｅｒｉｎｈｉｇｈｐｏｗｅｒｇｙｒｏｔｒｏｎ．Ｔｈｅ
中图分类号：ＴＮ１２２：ＴＮ８１４文献标识码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｑｕａｓｉ－ｏｐｔｉｃａｌｍｏｄｅｌａｕｎｃｈｅｒｆｏｒｔｈｅｇｙｒｏｔｒｏｎ
ｌａｕｎｃｈｅｒ．Ａｈｉｇｈｅｉｃｆｉｅｎｃｙｌａｕｎｃｈｅｒｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄｏｒｆ１４０ＧＨｚ．ＴＥ２８．８ｍｏｄｅ．ＲｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｏｔａｌｌｅｎｇｈｏｔｆｔｈｅｌａｕｎｃｈｅｒｉＳｏｎｌｙ２０５．２ｍｍ．ａｎｄｔｈｅｃｕｔｌｅｎｇｈｔｉＳ４７．２ｍｍ．ＡｔｔｈｅｈｅｌｉｃａｌｃｕｔｔｈｅｓｃａｌａｒｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｅｉｃｆｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅＧａｕｓｓｉａｎｍｏｄｅｉｎｔｈｅＢｒｉｌｌｏｕｉｎｚｏｎｅｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ９８％．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｃａｎａｌｓｏｂｅｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｏｆｏｔｈｅｒｒｅｆｑｕｅｎｃｙａｎｄｍｏｄｅｇｙｒｏｔｒｏｎｑｕａｓｉ — ｏｐｔｉｃａｌｌａｕｎｃｈｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｙｒｏｔｒｏｎ，ｑｕａｓｉ — ｏｐｔｉｃａｌｌａｕｎｃｈｅｒ，ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｏｐｔｉｃｓ，ｃｏｕｐｌｅｄ — ｗａｖｅｈｅｔｏｒｙ
（ＴＥＭ００）ａｔｔｈｅｃｕｔｏｆｈｔｅｌａｕｎｃｈｅｒ，ｈｅｔｃｏｕｐｌｅｄ — ｗａｖｅｔｈｅｏｒｙｗａｓｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎｃｏｒｒｕｇａｔｅｄｗａｖｅｇｕｉｄｅｑｕａｓｉ — ｏｐｔｉｃａｌ
ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１０１０．２０１５．０００６０
回旋管准光辐射器研究与设计大学物理电子学院，四川成都６１００５４）摘要：准光辐射器是高功率回旋管准光模式变换器的重要组成部分．采用几何光学理论分析圆波导准光辐射器，根据高斯波束（ＴＥＭ模）在辐射器切口处形成的原因，利用耦合波理论设计波纹波导准光辐射器．通过编写程序并进行数值优化完成１４０ＧＨｚ、ＴＥ模式回旋管波纹波导准光辐射器的设计，结果表明波纹波导辐射器的总长度仅为
第３４卷第１期
２０１５年２月
红外与毫米波学报
Ｊ．ＩｎｆｒａｒｅｄＭｉｌｌｉｍ．Ｗａｖｅｓ
Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．１
Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１５
文章编号：１００１— ９０１４（２０１５）０１ — ００６０— ０６
ｃｉｒｃｕｌａｒｗａｖｅｇｕｉｄｅｑｕａｓｉ — ｏｐｔｉｃａｌｌａｕｎｃｈｅｒｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｏｐｔｉｃｓ．ＴｏｆｏｒｍｔｈｅＧａｕｓｓｉａｎｍｏｄｅ
ＬＩＵＪｉａｎ — Ｗｅｉ，ＺＨＡＯＱｉｎｇ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆｔｈｅＰｈｙｓｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ，ＣｈｅｎｇＤｕ６１００５４，Ｃｈｉｎａ）
２０５．２ｍｍ，切口长度为４７．２ｍｌＴｌ，在辐射器螺旋切口Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ区内高斯模式标量相关系数大于９８％．本文所用的方法也可用于其它频率和模式的回旋管准光辐射器设计．关键词：回旋管；准光辐射器；几何光学；耦合波理论