检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：史少辉中国科学院大学

学位级别：博士

回旋振荡管(Gyrotron Oscillator)能够在毫米波和亚毫米波段产生数兆瓦量级的电磁辐射，是名符其实的高功率电磁辐射源，被广泛地应用于电子回旋谐振加热(Electron Cyclotron Resonance Heating: ECRH)、国家安全、高密度通讯、光谱学... 详细信息

回旋振荡管(Gyrotron Oscillator)能够在毫米波和亚毫米波段产生数兆瓦量级的电磁辐射，是名符其实的高功率电磁辐射源，被广泛地应用于电子回旋谐振加热(Electron Cyclotron Resonance Heating: ECRH)、国家安全、高密度通讯、光谱学以及生物医学成像等方面。回旋振荡管是基于相对论效应下的电子回旋脉塞(Electron Cyclotron Maser: ECM)不稳定性工作的快波器件，相对于传统真空器件，回旋振荡管的最显著特点是工作频率主要由工作磁场而非互作用电路的尺寸决定，这是回旋振荡管能够在高频段获得高功率输出的根本原因。对于毫米波段和亚毫米波段的回旋振荡管，由于所需的工作磁场较大，一般采用复杂的超导磁体作为磁场系统，这严重地限制了其应用范围。为了降低回旋振荡管的工作磁场，采用高次回旋谐波模式工作是一个很好的选择。但是，高次回旋谐波与电子注的互作用较弱，工作模式较难起振，且更容易受到近邻低阶模式的竞争，一般互作用效率也较低。因此，深入研究谐波回旋振荡管的注-波互作用机制，找到抑止模式竞争、提高互作用效率的方法，对发展谐波回旋振荡管具有重要的理论价值和工程意义。\n 本文从回旋振荡管的自洽非线性理论出发，系统研究了回旋振荡管的注-波互作用过程，分析了腔体参数、电子注参数以及欧姆损耗对互作用效率的影响，总结了一套回旋振荡管的设计规律，找到了提高谐波回旋振荡管互作用效率的方法。论文内容主要包含以下几个方面:\n 1、从相对论电子学理论出发，阐述了回旋管的工作原理，推导了回旋管的注-波互作用条件，介绍了回旋振荡管的发展和应用情况，完善了回旋振荡管的自洽非线性理论，编写了自洽非线性计算程序。利用自洽非线性程序和粒子模拟软件MAGIC研究了二次谐波回旋振荡管注-波互作用的特点，发现通过综合调节电子注加速电压、电子注速度比和互作用腔长度能够有效地避免过群聚现象的发生，从而获得最优的互作用效率。另外，研究还发现，在互作用腔的中间段采用渐增磁场能够有效地提高互作用效率。\n 2、研究了三次谐波回旋振荡管注-波互作用的特点，设计了可采用永磁包装的三次谐波回旋振荡管，该管的工作频率为94GHz，工作磁场为1.185T，通过采用渐变磁场和降压收集极最终获得了138kW的输功率和39.3％的整管效率。针对高频率回旋振荡管欧姆损耗较严重的问题，研究了欧姆损耗对振荡管输出效率的影响，发现，当互作用腔的绕射品质因数约为欧姆损耗品质一半时，振荡管的输出效率最高。在此基础上，设计了工作频率为460GHz的二次谐波回旋振荡管，通过优化电子注和腔体参数，并采用降压收集极，获得了14％的整管效率(U=12kV I=0.24A)。\n 3、编写了回旋振荡管的冷腔计算程序，研究了三段式渐变互作用电路的基本性质，分析了互作用腔的结构参数对腔体谐振频率和品质因数的影响，研究了电子注参数及互作用腔参数对振荡管起振电流的影响，发现通过增加互作用腔长度能够有效地降低回旋振荡管的起振电流。\n 4、利用解析理论研究了磁控注入电子枪的基本性质，找到了一种快速获得磁控枪初始参数的方法，利用粒子轨迹追踪软件EGUN和粒子模拟软件MAGIC研究了磁控枪各个参数对电子注性能的影响，总结了磁控枪的优化规律。\n 5、搭建了基于小孔耦合法的开口腔冷测平台，完成了94GHz三段式回旋振荡管互作用腔的冷测实验，测试结果与理论值符合得很好。基于耦合波理论，设计了中心频率为94GHz，带宽为4GHz的TE01-TE02模式变换器，并用HFSS仿真软件进行了验证，两者符合得很好。\n 6、形成了一整套回旋振荡管注-波互作用过程及磁控注入电子枪的模拟和设计程序，包括冷腔计算、自洽非线性分析、PIC粒子模拟（互作用腔和磁控注入电子枪）。自洽非线性分析可考虑多种因素（磁场渐变、电子注速度离散）的影响，能适用于多段式渐变互作用电路不同次谐波工作的情况。

关键词：毫米波回旋振荡管自洽非线性理论磁控注入电子枪粒子模拟

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140 GHz兆瓦级回旋振荡管高频设计与实现

140 GHz兆瓦级回旋振荡管高频设计与实现

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作者：杨晨中国科学院大学

学位级别：博士

回旋管是一种非常重要的高功率微波源，在微波武器、毫米波雷达、生物医疗、等离子体回旋共振加热等领域有着非常广泛的应用。随着回旋管向更高频率和更高功率发展，其采用的互作用谐振腔尺寸越来越大，工作模式也向更高阶发展，这为回... 详细信息

回旋管是一种非常重要的高功率微波源，在微波武器、毫米波雷达、生物医疗、等离子体回旋共振加热等领域有着非常广泛的应用。随着回旋管向更高频率和更高功率发展，其采用的互作用谐振腔尺寸越来越大，工作模式也向更高阶发展，这为回旋管的研制带来了很多困难。由于采用大尺寸腔体和高阶工作模式，模式竞争和空间传输损耗成为器件设计和应用的关键问题。这使得高阶体模工作的开放式谐振腔和准光模式变换器的设计和实现对回旋振荡管显得格外重要。此外，为了确保高频部件设计符合设计要求，必须对其进行冷测实验验证，故高阶体模的激励成为不可回避的重要环节。本论文围绕140GHz回旋振荡管研制过程中开放式谐振腔、准光模式变换器和模式激励器的设计和实现开展了以下研究工作:　　1.基于回旋振荡管开放式谐振腔和注波互作用理论、方法和设计程序，在输出功率大于1MW条件下设计了工作频率为140GHz、TE28,8模工作的回旋管谐振腔的几何和电参数。　　2.基于几何光学理论，分析了圆波导中高阶模式的传播特征，获得了辐射器的重要设计参数，结合标量衍射法，完成了工作频率为140GHz，工作模式为TE28,8的Denisov型辐射器的设计，其口径场与高斯模式的矢量相关性达到96.20％;利用Surf3D软件分析了该辐射器衍射损耗情况。利用几何光学分析方法得到的满足聚焦条件的准椭圆柱面镜的参数方程，设计了焦距和离轴距离合适的准椭圆柱面镜;采用一种基于相位矫正原理的高斯波束匹配法设计了准光模式变换器的两级相位矫正镜面对变换器输出波束相位的一致性进行校正。将辐射器和三个准光学镜面结合为准光模式变换器，三维全波电磁软件Surf3D模拟结果表明，在输出窗位置波束场分布与理想高斯模式场分布的矢量相关性达到96.67％。　　3.从圆波导中高阶模式的传播特性角度出发，基于准光模式激励器的设计方法，设计了一种由波纹喇叭天线、相位矫正镜面、准抛物柱面镜和壁面打孔的空心圆柱谐振腔组成的准光模式激励器。利用Surf3D软件对腔壁上小孔参数以及准光模式激励器各部件相对位置进行优化，最终设计的准光模式激励器输出场分布与理想高阶模式TE28,8之间的标量相关性达到90.09％。　　4.基于近场测试方法搭建了以计算机和相应控制程序、三维移动平台、网络分析仪和扩频模块、波导接收天线以及被测元器件（准光模式激励器和准光模式变换器）为主的冷测实验平台，对准光模式激励器和准光模式变换器分别进行了冷测实验。准光模式激励器的实验结果表明谐振腔特性参数与仿真结果吻合良好，模式激励器的输出场具有明显的设计(TE28，8)模式场分布特征。以准光模式激励器作为准光模式变换器的TE28,8高阶模式驱动源进行冷测，测试结果表明输入场经过准光模式变换器之后能够在输出窗位置形成准直性和相位一致性较好的高斯波束。

关键词：回旋振荡管开放式谐振腔准光模式变换器准光模式激励器传播特性

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频率可调太赫兹回旋振荡管互作用电路的设计与研究

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微波学报 2020年第3期36卷 59-64页

作者：史少辉韩万强封顺珍纪登辉王铁宁石家庄学院物理学院石家庄050035

根据动态核极化核磁共振成像技术对回旋振荡管的要求,设计了130 GHz回旋振荡管的注波互作用电路,基于线性理论对互作用电路进行了研究并选择了合适的工作点,分析了电路的频率调节特性。利用相对论电子回旋脉塞非线性理论对互作用系统进... 详细信息

根据动态核极化核磁共振成像技术对回旋振荡管的要求,设计了130 GHz回旋振荡管的注波互作用电路,基于线性理论对互作用电路进行了研究并选择了合适的工作点,分析了电路的频率调节特性。利用相对论电子回旋脉塞非线性理论对互作用系统进行了模拟和计算,优化了工作参数,计算了磁场及电子注参数对输出功率及效率的影响。最后,用粒子模拟方法进行了模拟并与非线性理论结果进行了比较,两者符合得很好。模拟结果显示,当电压为10 kV、电流为0.3 A、磁场强度由2.34 T增加到2.41 T时,输出功率由1310 W减小到230 W,对应的效率分别为43.6%和7.7%,振荡管的频率可调范围约为2.7 GHz。

关键词：太赫兹回旋振荡管核磁共振成像粒子模拟

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W波段圆电模回旋振荡管准光模式变换器的理论与设计

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重庆邮电大学学报（自然科学版） 2013年第4期25卷 427-431页

作者：王斌黄亮杰郝宏刚重庆邮电大学光电工程学院重庆400065

基于几何光学导出圆电模回旋振荡管准光模式变换器的理论,确定了开口辐射器、椭圆面反射镜和抛物面反射镜的具体形状,研究并设计了一个由Vlasov阶梯型开口辐射器、椭圆面反射镜和抛物面反射镜组成的W波段圆电模回旋振荡管准光模式变换... 详细信息

基于几何光学导出圆电模回旋振荡管准光模式变换器的理论,确定了开口辐射器、椭圆面反射镜和抛物面反射镜的具体形状,研究并设计了一个由Vlasov阶梯型开口辐射器、椭圆面反射镜和抛物面反射镜组成的W波段圆电模回旋振荡管准光模式变换器。利用矢量绕射理论分析了此模式变换器的工作机理;编写仿真程序设计和模拟了W波段TE02模回旋振荡管准光模式变换器的变换过程。结果表明,在输出窗处工作模式被转换为场型较好的高斯波束,转换效率为73.9%。

关键词：回旋振荡管圆电模准光输出 Vlasov模式变换器

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太赫兹二次谐波回旋振荡管

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微波学报 2019年第5期35卷 40-44页

作者：史少辉纪登辉封顺珍韩万强石家庄学院物理学院

针对应用于动态核极化核磁共振成像的太赫兹回旋振荡器管展开研究,采用相对论电子回旋脉塞非线性理论分析0.46 THz回旋振荡管互作用系统的动力学行为,研究系统模式竞争问题。优化器件系统参数以获得较高的注-波能量转化效率。利用粒子模... 详细信息

针对应用于动态核极化核磁共振成像的太赫兹回旋振荡器管展开研究,采用相对论电子回旋脉塞非线性理论分析0.46 THz回旋振荡管互作用系统的动力学行为,研究系统模式竞争问题。优化器件系统参数以获得较高的注-波能量转化效率。利用粒子模拟(PIC)方法验证非线性动力学研究结果,模拟结果显示当工作电压为12 kV、工作电流为0.24 A时,输出功率和效率分别为173 W和6%。若采用降压收集极后,则整管效率可进一步提高至14.4%。

关键词：太赫兹回旋振荡管核磁共振成像粒子模拟

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W波段低电压三次谐波回旋振荡管

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太赫兹科学与电子信息学报 2019年第1期17卷 13-17页

作者：李志良冯进军刘本田中国电子科技集团公司第十二研究所微波电真空器件国家级重点实验室北京100015

回旋振荡管采用三次谐波工作方式的互作用磁场只有基波状态磁场的三分之一,可有效降低设计难度,具有广阔的应用前景。通过对三段式单腔结构的耦合系数、起振电流、高频场分布、模式竞争以及注波互作用研究,确定了工作模式为TE_(03)的W... 详细信息

回旋振荡管采用三次谐波工作方式的互作用磁场只有基波状态磁场的三分之一,可有效降低设计难度,具有广阔的应用前景。通过对三段式单腔结构的耦合系数、起振电流、高频场分布、模式竞争以及注波互作用研究,确定了工作模式为TE_(03)的W波段低电压三次谐波回旋振荡管的基本工作参数;通过粒子模拟软件(PIC)模拟分析,在电子注电压、注电流及速度比分别为35 kV、4 A和1.6时,在93.7 GHz频点处获得15.57 kW的输出功率,效率约11.1%,且该管可在此工作模式下稳定工作。

关键词： W波段低电压三次谐波回旋振荡管粒子模拟

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3mm二次谐波回旋振荡管设计与数值模拟

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微波学报 2011年第1期27卷 67-70页

作者：李志良冯进军王峨锋刘本田北京真空电子技术研究所大功率微波电真空器件技术国防科技重点实验室北京100015

二次谐波回旋振荡管的互作用磁场比基波回旋振荡管的磁场降低了一半,从而降低了设计难度,具有广阔的应用前景。通过对单腔结构的W波段二次谐波回旋振荡管高频结构、起振电流、模式竞争以及注波互作用研究,确定了W波段TE02模二次谐波回... 详细信息

二次谐波回旋振荡管的互作用磁场比基波回旋振荡管的磁场降低了一半,从而降低了设计难度,具有广阔的应用前景。通过对单腔结构的W波段二次谐波回旋振荡管高频结构、起振电流、模式竞争以及注波互作用研究,确定了W波段TE02模二次谐波回旋振荡管的基本工作参数,通过粒子模拟(PIC)软件进行计算,在电子注电压为60kV,注电流为6A及速度比为1.5时,获得了67.5kW的输出功率和超过18%的效率,且工作稳定。

关键词：二次谐波回旋振荡管粒子模拟

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回旋振荡管高频理论及在170 GHz器件设计中的应用

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真空电子技术 2018年第5期31卷 13-18页

作者：李志良冯进军刘本田中国电子科技集团公司第十二研究所微波电真空器件国家级重点实验室北京100015

回旋振荡管是一种具有重要发展前景的高功率毫米波源。本文简要介绍了回旋振荡管的结构类别,详细叙述目前应用于回旋振荡管的主要高频理论,包括线性理论和非线性理论,并给出目前应用于高频系统的数值分析软件发展情况,最后利用上述理论... 详细信息

回旋振荡管是一种具有重要发展前景的高功率毫米波源。本文简要介绍了回旋振荡管的结构类别,详细叙述目前应用于回旋振荡管的主要高频理论,包括线性理论和非线性理论,并给出目前应用于高频系统的数值分析软件发展情况,最后利用上述理论及Matlab软件编制出的冷腔和非线性自洽计算程序对热核聚变用170GHz MW级回旋振荡管高频系统进行设计并给出计算结果。

关键词：回旋振荡管高频腔体热核聚变高功率

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140GHz回旋振荡管电子枪和收集极的研究

140GHz回旋振荡管电子枪和收集极的研究

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作者：朱贺中国科学院大学

学位级别：硕士

回旋管是基于电子回旋脉塞机理的快波器件，其高功率、高频率、宽频带的特点使得其在民用与军事领域都有着广阔的应用前景，特别在可控核聚变中起到了非常关键的作用，因此回旋管的研究受到了各个国家的重视。在回旋管中，电子光学系统... 详细信息

回旋管是基于电子回旋脉塞机理的快波器件，其高功率、高频率、宽频带的特点使得其在民用与军事领域都有着广阔的应用前景，特别在可控核聚变中起到了非常关键的作用，因此回旋管的研究受到了各个国家的重视。在回旋管中，电子光学系统（包括电子枪和收集极）起到了非常重要的作用。磁控注入电子枪为回旋管的注波互作用提供高横向能量、低速度零散的电子注;收集极能够对电子注的剩余能量进行回收并提高整管工作效率。在科技部重点研发项目的支持下，本文对回旋管的电子光学系统进行了的研究。主要工作如下:　　1.通过理论分析和数值模拟对磁控注入电子枪进行了研究。对绝热压缩原理进行了推导，基于角动量守恒原理对磁控注入电子枪的设计方法进行了推导和整理，考察了多种影响电子注性能的参数，并对其影响进行了数值模拟，对于电子枪的设计具有较好的指导意义;对于影响电子注速度零散的因素进行了考察，为今后电子枪设计时电子注速度零散的降低提供了依据。　　2.对磁场的轴上展开法进行了介绍。使用两种软件(EGUN与CST)对140GHz、TE28,8模回旋管振荡器双阳极和单阳极磁控注入电子枪进行了设计，并对两者的设计结果进行了比较。对影响电子注性能的多种参数进行了模拟分析，优化了设计参数和电性能。设计结果表明，本文设计的电子枪具有合适的速度零散与较低的速度零散，符合项目的要求。　　3.设计了具有横向和纵向磁场扫描系统的单级降压收集极。通过合理选择收集降压的大小，提高回旋管振荡器的整管效率;为了降低收集极单位面积的功率密度，使用了横向和纵向磁场扫描系统对收集极电子注进行了扫描，结果显示磁场扫描系统可以有效提高收集极收集电子注的面积，减轻收集极了功率耗散压力;同时设计了沟槽型收集极冷却系统，对两种磁场扫描系统下的收集极进行了热分析。发现在磁场扫描系统的作用下，收集极温度分布比较均匀，有效降低了冷却系统的压力。

关键词：回旋振荡管磁控注入电子枪收集极结构设计

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回旋振荡管高频理论及在170 GHz器件设计中的应用

回旋振荡管高频理论及在170 GHz器件设计中的应用

引用

电子陶瓷、陶瓷-金属封接第十八届会议暨真空电子与专用金属材料分会2018年年会

作者： LI Zhi-liang 李志良 FENG Jin-j un

回旋振荡管是一种具有重要发展前景的高功率毫米波源.本文简要介绍了回旋振荡管的结构类别,详细叙述目前应用于回旋振荡管的主要高频理论,包括线性理论和非线性理论,并给出目前应用于高频系统的数值分析软件发展情况,最后利用上述理论及... 详细信息

回旋振荡管是一种具有重要发展前景的高功率毫米波源.本文简要介绍了回旋振荡管的结构类别,详细叙述目前应用于回旋振荡管的主要高频理论,包括线性理论和非线性理论,并给出目前应用于高频系统的数值分析软件发展情况,最后利用上述理论及Matlab软件编制出的冷腔和非线性自洽计算程序对热核聚变用170GHz Mw级回旋振荡管高频系统进行设计并给出计算结果.

关键词：回旋振荡管结构设计高频腔体热核聚变

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