高功率准光输出回旋管的收集极研究

发布时间：2020-05-13 19:27

【摘要】：回旋管在主动拒止武器(ADS)、医学研究、等离子体加热方面有很多应用。在过去的几十年中,在高功率、高频率、高效率、模式转换、数值模拟等方面,已经取得了长足的进展。140 GHz连续波兆瓦级回旋管的效率一般在20%~40%,所以当互作用结束的电子注进入收集极时,有大量的功率将在收集极上耗散,收集极上电子注的功率耗散会引起管壁温度的升高,过高的温度会导致无氧铜材料的内壁发生热形变进而被损坏。而且温度过高也会导致收集极和高频结构系统之间的绝缘性变差,降低管子内部的真空度,这些都会影响回旋管的工作稳定性。所以降低回旋管收集极区的温度和对收集极的热特性进行研究具有重要意义。本文基于课题组现有的工作频率140 GHz,输出功率1 MW的回旋管,讨论研究了对于该管子收集极的散焦方案并对其进行相应的热特性分析,从降低收集极上的功率耗散密度和温度的角度出发,设计了对于该管子的散焦方案,为下一步进行实验测试打下了理论基础。主要包括以下几个方面:1.介绍了以及电子光学系统基本理论,分析了热传递的三种方式,重点介绍了在收集极区所应用的流体与固体表面对流换热的情况,并介绍了电子在回旋管中的运动轨迹方程和收敛磁场的绝热压缩作用,其中绝热压缩理论是后续分析优化散焦的理论前提。2.为了满足大功率输出的要求,对140 GHz回旋管的收集极进行散焦优化,介绍了在收集极增加补偿线包、纵向场扫描系统(VFSS)、横向场扫描系统(TFSS)这三种散焦方案,并分析了原始情况和TFSS散焦方案在收集极区的功率密度分布,得出了其在收集极上电子注的落点范围为380 mm,比原始落点范围扩大将近10倍,峰值功率密度低于370w cm~2,极大的提高了收集极的功率容量。3.利用CST工作室的联合仿真对收集极的热特性进行研究,分析了CST联合仿真相比于其他传统热分析软件的优点,并对热分析理论中的对流换热系数进行了分析。得到了原始不加散焦线包的收集极在不同水流速下的温度变化以及对应的热形变量,分析了在TFSS作用下,水流速为15 m/s时,对应的温度分布和热形变量。
【图文】：

回旋管,工作区域

米波之间的频段，如图 1-1 为回旋管的工作频率范围。波管更高的频段上、以及有着更高的输出能量，其功率频结构谐振腔中传播的行波是快波，所以它是一种快波比工作波长大得多，所以回旋管可以产生更高的输出功制出的回旋管的脉冲功率输出水平都在兆瓦级别[1-5]。

回旋管,第一

着十分广泛的应用。从上世纪 70 年代以来，，对太赫兹科学技术的不断研究也了相应频段的微波电真空器件的迅猛发展并取得了一定的成就。我国从上世0 年代开始着力于大功率器件回旋管的研制，到目前为止有了不错的研究成就子科技大学对不同频段和不同类型的回旋管进行了研究，并研制出国内第一赫兹回旋管，如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN12

【参考文献】