【摘要】：回旋管是毫米波段實(shí)現(xiàn)高峰值功率和高平均功率最有潛力的電真空器件之一,在磁約束聚變等離子體加熱、定向能武器和材料處理等領(lǐng)域有重要應(yīng)用需求。當(dāng)前回旋管正向著更高單管連續(xù)波功率、更高頻率、更優(yōu)調(diào)諧能力、更高效率和更好的連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性的方向發(fā)展,本論文旨在探索提升回旋管單管功率和調(diào)諧能力的技術(shù)途徑,并實(shí)驗(yàn)探索回旋管連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響因素,重點(diǎn)圍繞140GHz頻點(diǎn)開展了相關(guān)的理論計(jì)算、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究工作。作為論文所有研究工作的基礎(chǔ),首先基于回旋管理論完成了系列設(shè)計(jì)程序的編寫,其中包括電子槍設(shè)計(jì)程序、腔體冷參數(shù)計(jì)算程序、單模穩(wěn)態(tài)計(jì)算程序和多模時(shí)域計(jì)算程序等,并著重對單模穩(wěn)態(tài)計(jì)算程序和多模時(shí)域計(jì)算程序開展了校驗(yàn)工作,驗(yàn)證了程序的正確性。其次,論文優(yōu)選TE34,10-模式為工作模,開展了更高單管功率回旋管的研究。為了解決制約超高階模穩(wěn)定工作從而限制整管功率提升的模式競爭問題,論文對該回旋管開展了系統(tǒng)的競爭狀態(tài)分析,提出并驗(yàn)證了兩種抑制模式競爭的方法,包括磁場調(diào)整方法和電壓調(diào)整方法,實(shí)現(xiàn)了輸出功率大于1.5MW的單模穩(wěn)定工作,而電壓調(diào)整方法可以與束壓上升的過程自然結(jié)合,具有更好的可操作性。然后,論文提出了一種超寬階躍調(diào)諧高功率準(zhǔn)光回旋管的實(shí)現(xiàn)方法。與尋求微擾壁輻射器對多個(gè)模式高效傳輸?shù)膶拵д{(diào)諧常規(guī)方法不同,論文采用了基于Vlasov輻射器的準(zhǔn)光模式變換系統(tǒng),通過準(zhǔn)光模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的傳輸條件結(jié)合腔體的耦合半徑條件確定了選模依據(jù)。采用漸變壁腔體解決了低階模和高階模之間Q值差距太大的問題,開展了各個(gè)頻點(diǎn)的單模參數(shù)優(yōu)化和模式競爭分析,實(shí)現(xiàn)了高頻腔的寬帶階躍調(diào)諧。高頻腔體、準(zhǔn)光系統(tǒng)和窗體可支持近6個(gè)倍頻程的調(diào)諧能力,而由于電子槍在磁場低端與腔體未實(shí)現(xiàn)匹配,最終該回旋管可實(shí)現(xiàn)近3個(gè)倍頻程的寬帶階躍調(diào)諧。相比常規(guī)方法不到2個(gè)倍頻程的最寬調(diào)諧帶寬而言,回旋管的調(diào)諧能力得到了大幅提升。最后,論文開展了 140GHz/50kW回旋管的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn),一方面用以進(jìn)一步驗(yàn)證論文使用的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)程序,另一方面對連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的探索。開展了頻率曲線、低功率曲線和高功率曲線的測試,最高脈沖功率達(dá)到56kW,各曲線變化規(guī)律與理論計(jì)算取得了良好的一致。對Nottingham效應(yīng)進(jìn)行了測試,分析了其對發(fā)射束流的影響。開展了連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn),由于輸出窗功率容量不足,僅在低功率狀態(tài)下進(jìn)行了連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn),分鐘級運(yùn)行時(shí)獲得了 20.3kW的輸出功率,含降壓收集的效率為28.3%,對各電極回流的測試表明該回旋管在該功率下連續(xù)運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性良好。
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN12
【圖文】：

圖１．２（ａ）第一支回旋管的結(jié)構(gòu)圖；（ｂ）第一支ＭＷ級脈沖管照片逡逑

圖１．３邋ＩＴＥＲ結(jié)構(gòu)示意圖逡逑進(jìn)入２１世紀(jì)后，高功率回旋管取得突破性進(jìn)展，標(biāo)志性的成果即是ＭＷ級連續(xù)波逡逑［６６＿６

使用MAGY對CPI140GHz回旋管起振過程的計(jì)算結(jié)果

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2778152