紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的粒子模拟

径 向半 径 仅为 ４ ０ｃ 大大 减小 了微 波 器 件 的 径 向尺 寸 。 同轴 慢 波 结 构 的 ＴＭ。模 式 有类 似 于 ＴＥ 模 的性 ． ｍ， 。 Ｍ 质 ， 有截 止频 率 ， 没 这是 可 以缩 小 Ｌ波 段 返 波 振 荡 器径 向 尺寸 的 主要 原 因 。值 得 注 意 的是 ， 普 通 同轴 结 构 与
率微 波 输 出 。
１ 模 型 设 计 与 分 析
相 对论 返波 振荡 器利 用 电子 束 与慢 波 结构 中的具 有 负群 速度 的返 波 同 步相 互作 用 产 生微 波输 出 。为 了实 现 器件 结 构 的紧凑 和小 型化 ， 们采 用 同轴 慢 波 结 构实 现 Ｌ波 段 返 波 振荡 器 的 微 波输 出 ， 化后 器 件 的最 大 我 优
平 均 峰值 功 率效 率 约 为 ３ 。 ２ 关 键 词 ： 高 功 率 微 波 ； 同轴 返 波 振 荡 器 ； Ｌ波 段 ｉ 粒 子 模 拟 中 图 分 类 号 ： ＴＮ １ ２ 文 献 标识 码 ： Ａ
相对 论返 波 振荡器 是 极具 发展 前 途 的高 功率微 波 源之 一 ， 有 结构 紧 凑 、 率 高 和运 行稳 定 等特 点 。为 了 具 效 进 一步 提 高返波 振荡 器 的性 能 ， 们提 出 了各 种 改 进 方案 ， 等离 子 体 或 电介 质 衬套 加 载 的 相对 论 返 波 振 荡 人 如
的小型 化 问题 。若采 用非 同轴 相对 论 返 波 振 荡 器 实现 Ｌ波 段 的微 波输 出 ， 慢 波 结 构 需要 很 大 的平 均半 径 ， 则
增 大 了导 引磁场 系统 的体 积 和质 量 ， 给器 件 的小型 化带 来 了很 大 的 困难 。研 究 表 明 ： 这 同轴 相对 论返 波 振荡 器 可 以在 相互 作用 区半径 较 小 的情况 下 较 容 易 地 实 现 Ｌ波 段 的微 波 输 出 ， 对 研 制质 量 轻 、 积 小 的 紧 凑 型 Ｌ 这 体 波段 返 波振 荡器 具有 重要 的实际 意 义 。文献 Ｅ２１］ 同轴相 对 论返 波 振荡 器进 行 了研 究 ， 其 主 要 内容 注 重 １ ５对 但 于 大尺 寸 ｘ波段 返 波振荡 器 。本 文通 过 粒 子模 拟研究 了 Ｌ波段 同轴 相 对 论 返 波 振荡 器束一 互 作 用 的物 理 过 波 程 ， 器件 的 电磁 结构进 行 了改进 ， 中 等能 量 和 较低 束 流 的 电子束 来 实 现 小 型化 Ｌ波段 返 波振 荡 器 的高 功 对 用
ＴＥ 波 不 同 ， Ｍ 同轴慢 波结 构 ＴＭ。 式 的纵 向 电场 Ｅ ≠０ 这是 同轴返 波振 荡 器 中的 电子束 能够 与 它有 强 相互 模 ， 作 用 的重 要原 因 。为 了分 析 同轴 相 对论 返 波振 荡 器 中 电子 束 的 传输 及 束一 相 互 作 用 的物 理 过 程 并 进行 电磁 波 结 构优 化 ， 我们 采 用 ２５维 程序 对 Ｌ波段 返 波振 荡器 进行 了粒 子模 拟 研究 。图 ｌ 出 了 Ｌ波 段 返波 振 荡 器 的 ． 给 结构 ， 器件 最 大径 向半径 ４０ｃ 波纹 深度 ０ ９ｃ 慢 波结 构 区的 内导 体半 径 １４ｃ 内导体 在 慢波 结 构 结 束 ． ｍ， ． ｍ， ． ｍ， 部分 突起 形 成收集 极 。厚 度为 ２ｍｍ 的环 形 电子 束 从 器 件 的 左 端 注入 ， 靠 近 波 纹 表 面传 输 ， 过 慢 波 结 构 并 穿 区， 与高频 电磁场 相互作 用 ， 生高 功 率微 波输 出 ， 产 最后 被 收集极 吸 收 。在 优化 过 程 中 ， 我们 首先 根据 线 性色 散
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第 ｌ ８卷
第 １ 期 １
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳ ＡＮＤ ＥＲ ＰＡＲＴＩ Ｅ ＥＡＭ Ｓ ＣＬ Ｂ
Ｖ０ ． ８。Βιβλιοθήκη ． １ １ １ ＮＯ １ ＮＯＶ ２ ０６ ．， ０
２０ ０ ６年 １ １月
器［ ， 带谐 振 反射 腔 的 相 对 论 返 波 振 荡 器 引， 阻 抗 相 对 论 返 波 振 荡 器 ， 直 径 过 模 相 对 论 返 波 振 荡 变 大
器［ １ 同轴相 对论 返波 振 荡器ｎ ， ¨¨， 同轴 引 出相对 论返 波振 荡器［ 。 ¨等 目前 发 展 Ｌ波 段相 对论 返 波振 荡器 是 这一 领域 追求 的 目标之 一 ， 遇到 的 主要 障 碍 是 Ｌ波 段返 波 振 荡 器 但
作用过程 粒子模 拟优化结 果表明 ， 在器件半径仅 为 ４ ０ｃ 电子柬 能量 ２ ０ｋ Ｖ， ． ｍ， ４ ｅ 电子束 流 １ ８ｋ 导 引磁 ． Ａ，
场仅 为 Ｏ ７ ． ５Ｔ时 ， 返波振荡器可 以在 频率 １ ６ ．０ＧＨｚ 处获得较大功率 的微波输 出，平均峰 值功率达 １０Ｍｗ ， ４
荡器相互作用 的物理 过程 ， 并对 器件 的 电磁结构进行 了优化 和改 进。分析表 明。 采用 同轴 慢波结构可 以在较低 的外加磁场下实现 Ｌ波段 返波振荡器 的微波输 出， 同时可以大大减小 微波器 件 的径 向尺 寸 。这是 因 为同轴慢 波结构 的 Ｔ Ｍｏ 模式有 类似于 ＴＥ 模 的性 质 ， Ｍ 没有截止频率 ， 但纵向电场不 为零 ， 电子束 能够 与它发生 强相互
文 章 编 号 ： １ ０—３ ２ ２ ０ ） １１７ —４ ０ １４ ２ （０ ６ １－８ ９０
紧凑 型 Ｌ波 段 同轴 相 对 论 返 波 振 荡 器 的粒 子 模 拟
牛洪 昌， 钱 宝良
（ 国防科学 技术大学 光 电科学与工程学院 。长沙 ４ ０ ７ ） １０ ３
摘
要 ： 设计了紧凑型 Ｌ波段 同轴 相对 论返波振荡 器 。 通过粒 子模 拟研究 了 Ｌ波段 同轴相 对论返波 振