140GHz回旋管理论与实验研究

发布时间：2020-08-02 04:19

【摘要】：回旋管是毫米波段实现高峰值功率和高平均功率最有潜力的电真空器件之一,在磁约束聚变等离子体加热、定向能武器和材料处理等领域有重要应用需求。当前回旋管正向着更高单管连续波功率、更高频率、更优调谐能力、更高效率和更好的连续运行稳定性的方向发展,本论文旨在探索提升回旋管单管功率和调谐能力的技术途径,并实验探索回旋管连续运行稳定性的影响因素,重点围绕140GHz频点开展了相关的理论计算、数值模拟和实验研究工作。作为论文所有研究工作的基础,首先基于回旋管理论完成了系列设计程序的编写,其中包括电子枪设计程序、腔体冷参数计算程序、单模稳态计算程序和多模时域计算程序等,并着重对单模稳态计算程序和多模时域计算程序开展了校验工作,验证了程序的正确性。其次,论文优选TE34,10-模式为工作模,开展了更高单管功率回旋管的研究。为了解决制约超高阶模稳定工作从而限制整管功率提升的模式竞争问题,论文对该回旋管开展了系统的竞争状态分析,提出并验证了两种抑制模式竞争的方法,包括磁场调整方法和电压调整方法,实现了输出功率大于1.5MW的单模稳定工作,而电压调整方法可以与束压上升的过程自然结合,具有更好的可操作性。然后,论文提出了一种超宽阶跃调谐高功率准光回旋管的实现方法。与寻求微扰壁辐射器对多个模式高效传输的宽带调谐常规方法不同,论文采用了基于Vlasov辐射器的准光模式变换系统,通过准光模式转换系统的传输条件结合腔体的耦合半径条件确定了选模依据。采用渐变壁腔体解决了低阶模和高阶模之间Q值差距太大的问题,开展了各个频点的单模参数优化和模式竞争分析,实现了高频腔的宽带阶跃调谐。高频腔体、准光系统和窗体可支持近6个倍频程的调谐能力,而由于电子枪在磁场低端与腔体未实现匹配,最终该回旋管可实现近3个倍频程的宽带阶跃调谐。相比常规方法不到2个倍频程的最宽调谐带宽而言,回旋管的调谐能力得到了大幅提升。最后,论文开展了 140GHz/50kW回旋管的设计与实验,一方面用以进一步验证论文使用的设计方法和设计程序,另一方面对连续运行稳定性的影响因素进行实验的探索。开展了频率曲线、低功率曲线和高功率曲线的测试,最高脉冲功率达到56kW,各曲线变化规律与理论计算取得了良好的一致。对Nottingham效应进行了测试,分析了其对发射束流的影响。开展了连续运行实验,由于输出窗功率容量不足,仅在低功率状态下进行了连续运行实验,分钟级运行时获得了 20.3kW的输出功率,含降压收集的效率为28.3%,对各电极回流的测试表明该回旋管在该功率下连续运行时稳定性良好。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN12
【图文】：

图１．２（ａ）第一支回旋管的结构图；（ｂ）第一支ＭＷ级脉冲管照片逡逑

图１．３邋ＩＴＥＲ结构示意图逡逑进入２１世纪后，高功率回旋管取得突破性进展，标志性的成果即是ＭＷ级连续波逡逑［６６＿６

使用MAGY对CPI140GHz回旋管起振过程的计算结果

【参考文献】

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本文编号：2778152