（物理电子学专业论文）相对论磁控管的理论与实验研究.pdf

电子科技大学博士论文 摘要 在广泛调研国内 外相对论磁控管的 研究 动态， 系统评述有关研究 成果的 基础 上， 深 入研究磁控管的 基本理论与相 对论磁控管的 特殊物理问 题， 归纳出了 当 代 相对论磁控管发 展与应用的一大难题， 一 个亮点 与一 个方向。 一大难题是效率 不 高，典型值为 1 0 -2 0 %; 一个亮点是 可调谐， 可调谐相对论 磁控管是目 前真 正 具有宽调谐范围 又有较高效率的唯一高功率微波器件; 一个方向 是实现小型 化 永磁包装) ， 从而确定了 本论文沿这三个方面展开 研究 工作。 利用单粒子模型、 流体模型与粒子 模拟软 件深入分析了电 子回旋运动， 漂移 运动， 层流厚度，空间电荷场，回旋半径等因素对电子效率的影响，并通过大量 计算剖析了 从普通磁控管 演变到相对论磁 控管的 过程中， 效率由高到 低变化的 物 理机制， 得出“ 强” 高频场是影响相对 论磁控管效率主要因素的结论。 以 此为 基 础， 作者从不同的角度提出了 三种改 善相对论磁控管效率 方案: 降 低有载 q 值; 限 制工作电 流; 高阻相对论磁控管锁相阵列。 粒子模拟表明， 这些方案 均有效的 提高了 相对论磁控管效率， 最高可达 4 0 %以 上。这是国内 外首次针对 相对论磁控管效率进行的 全面分析， 使我 们对相对论磁控管低效率机制有了 更清 晰的认识。 论文深入分析了内 腔调谐的 机理， 指出 模式竞争和0 模分量是限制相对论 磁 控管 调谐范围与性能的主要障碍， 给出了 频率间隔、 0 模 分量与高频结构参数 之 间的 依赖关系。 从已 有实验条件出 发， 提出 调谐相对论 磁控管的基本方案， 并 在 异腔结构磁 控管理论的指导下， 利用 高频场结构分析软 件h f s s 对其进行优化， 通过合理的调整谐振腔结构与开 放阳 极端帽等措施， 设 计了 调谐范围 达9 0 0 m h z 的s 波段相对论磁控管。 以 此为基础， 系统设计与加工了一只可调谐相 对论磁 控 管，并分别在高q值、低q值与 有端帽、无端帽下进行了实验 研究。实 验结 果 表明所研制的相对论磁控管具有2 0 % 的调谐带宽， 超过 1 g w的功率 输出。 此结 果不仅填补了国内 可调谐r m研究的 空白 ，与 美国p i 公司 报道的s 波段可调谐 r m ( 3 3 % 调谐带宽， 4 0 0 - 6 0 0 m w输出功率) 比 较， 其输出 功率提高一倍以 上， 功率带宽积 提高 近4 0 %o s 波段可调谐r m的 成功研制， 表明我们己 掌握了r m 的 可调谐技 术，也 标志着我国在这方面的 研究 达到了 世界先进水平。 论文对径向极 化永磁磁路进行了 深入 研究， 分 别从工程设计与磁路方程数值 求 解的 角度出 发对其进行分析， 结 合此前研制永磁体的经 验， 设计加工了 一只永 磁体， 其互作 用区平均磁场强度高达5 . 7 t ， 均匀区长度不小于7 0 m m ， 是目 前报 道的适用于相对论磁控管永磁体的最高值。实验研究了利用此永磁体包装的 r m，其输出 功率达到 5 3 0 mw。同时， 建立了 永磁包装相对论 磁控管的 粒子模 拟模型， 并就模拟结果与实 验结 果进行了 对比 验证， 二者显示出良 好的一致 性。 摘要 根据相对论磁控管的能量祸合方程， 分别针对二 模工作与2 g 模工作提出了 两套 低工作磁场相对论磁控管获得高功率输出的设 计方案。 综合对永磁包装 r m 的模 拟与实验研究结果， 不仅在实验上创造了5 3 0 m w 的新记录， 而且通过模拟证明， 研制输出功率 2 g w 左右，频率约 4 . 3 g h z ，效率超过 8 %的永磁包装 r m是完全可 能的。这对于此前只有 4 3 0 m w的国内外最高记录是一个重大突破，对 r m的小型 化与实用化具有重要意义 此外， 论文结合粒子模拟与实验研究的 方法， 第一次全面分析了 预脉冲对相 对论磁控管性能的影响， 指出 预脉冲严重影响 相对论磁控管的输出 功率、 脉宽以 及谐振频率， 研究认为影响因素主要 来源于预脉冲改变了 主脉冲的上升沿状态、 加剧了磁控管内 部的模式竞争， 使等离子体生成提前。 此 研究结果已很好地应用 到r m 的实验研究中。 在博士论文 期间， 作者发 表论文 三篇， 均被 e l 收录， 获得国 防科技进步奖 三项， 分别为: s 波段相对论磁控管， 1 9 9 8 年，电 子工业部 科技进步二等奖， 排 名第7 :永磁体相对论磁控管， 2 0 0 2 年国防科学 技术三 等奖， 排名第4 ; 多注速 调管高重频调制器与多路高重频同 步脉冲发生器， 2 0 0 4 年国防科学技术三等 奖， 排名第 2 0 作为第一主研， 主持8 6 3 科研项目 一项， 己 到 校经费 近 1 0 0 万元， 将于2 0 0 5 年出色完成任务。 关键词: 微波 高功率 相对论磁控管 粒子模拟 等 离子 体 调谐 永磁包装 电子科技大学博士论文 a b s t r a c t a ft e r e x t e n s iv e r e v i e w o f t h e r e s e a r c h in t o r e l a t i v i s t i c m a g n e t r o n in t h e c o u n t ry a n d a b r o a d , t h i s p a p e r e x p l o r e s t h e b a s i c t h e o r i e s o f m a g n e tr o n a n d s p e c i a l p h y s i c a l p r o b l e m s o f r e la t i v is t i c m a g n e tr o n , p ro p o s e s a n o b s t a c l e , a h ig h l i g h t a n d a d i re c t io n o f t h e c u r r e n t d e v e l o p m e n t a n d 叩p li c a t io n o f re l a t i v i s t i c m a g n e tr o n : r e l a t i v e l y lo w e f f i c i e n c y w i t h t y p i c a l v a l u e b e t w e e n 1 0 % t o 2 0 % ; fr e q u e n c y a g i l e ; m in i a t u r i z a t i o n . wi t h s in g l e p a rt i c l e m o d e l , fl u id m o d e l a n d p a r t i c l e s i m u l a t i o n t o o l s , f a c t o r s t h a t a ff e c t e le c tr o n i c s e f fi c ie n c y w e r e a n a b 了 z e d , i n c l u d in g e l e c tr o n i c s c y c l o t ro n r o t a t i o n a n d r f - d r i 氏b r i l lo u in h u b , s p a c e c h a r g e f i e l d a n d l a r m o r r a d i u s e t c . m e a n w h i l e t h e p h y s i c a l m e c h a n i s m o f t h e e v o lu t i o n o f o r d i n a ry m a g n e t r o n t o re l a t iv i s t ic m a g n e tr o n w a s i n v e s t i g a t e d . t h e c o n c l u s i o n is s tr o n g r f f i e l d p l a y s a c e n t r a l r o l e i n t h e e f f ic ie n c y o f r e l a t i v is t i c m a g n e tr o n . b a s e d o n th i s , t h e a u t h o r p r o p o s e s t h r e e w a y s t o i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o f re l a t i v is t i c m a g n e tr o n f ro m d iff e r e n t p e r s p e c t iv e s : l o w e r t h e l o a d q v a l u e ; s e t a n u p p e r l im i t t o w o r k c u r r e n t ; a r r a y o f re l a t i v i s t i c m a g n e t r o n w it h h ig h i m p e d a n c e . p a r t i c l e i n - c e l l i n d i c a t e s t h a t i n d o s o , t h e e ff i c i e n c y o f r e l a t i v i s t i c m a g n e tr o n c a n b e 叩t o 4 0 % . s u c h a c o m p re h e n s iv e re s e a r c h a n d m u lt i d im e n s i o n a l p r o p o s a l fi n d n o p a r a l l e l u n t i l n o w . a ft e r s t u d y in g t h e m e c h a n is m o f fr e q u e n c y t u n a b l e w i t h c o u p l e c a v i t i e s , t h i s p a p e r i d e n t i f i e s m o d e c o m p e t i t i o n a n d 0 m o d e c o m p o n e n t a s t h e m a i n b a r r i e r s t o l im i t i n g t h e fr e q u e n c y tu n a b l e r a n g e a n d t h e p e r f o r m a n c e o f re l a t i v i s t i c m a g n e tr o n , a n d p r o p o s e s t h e r e l a t io n s h i p b e t w e e n m o d e c o m p e t i t i o n , 0 m o d e c o m p o n e n t a n d r f f i e l d s tr u c t u re . c o n s i d e r i n g t h e e x p e r i m e n t a l e n v i ro n m e n t a v a i l a b l e , e c o n o m i z e a n d p r a c t i c a b i li t y , t h i s p a p e r s u g g e s t s a b a s i c p r o j e c t o n f r e q u e n c y a g i l e re l a t i v i s t i c m a g n e tr o n , a n d p e r f e c t it w it h h i g h f r e q u e n c y s t r u c t u r e s i m u l a t o r ( h f s s ) a c c o r d i n g t o t h e t h e o ry o f r i s in g m a g n e t r o n , t h u s t o d e s i g n a s b a n d fr e q u e n c y a g i l e r e l a t i v i s t ic m a g n e t r o n w it h 9 0 0 mh z t u n a b le r a n g e勿 a d j u s t i n g d im e n s i o n o f s y n t o n ic c a v i t i e s a n d o p e n a n o d e p o rt s . a c c o r d i n g t o t h e a n a l y z e d r e s u l t s , a f r e q u e n c y a g i l e r e l a t iv i s t i c m a g n e tr o n w a s d e s i g n e d 妙t h e n u m b e r s a n d s u c c e s s f u l l y m a n u f a c t u re d , w h o s e p e r f o r m a n c e i n h ig h lo a d q v a l u e a n d l o w l o a d q v a l u e w a s t e s te d a n d w h o s e o u t p u t w i n d o w b re a k d o w n p h e n o m e n a i n h i g h p o w e r w a s a n a l y z e d . t h e r e s e a r c h r e s u l t s p r o v e t h a t t h i s f r e q u e n c y a g i l e re la t iv i s t i c m a g n e tr o n h a s 2 0 % tu n a b l e r a n g e , e x c e e d 1 g w o u tp u t p o w e r , w h o s e o u t p u t p o w e r a n d b a n d w i d t h p r o d u c t v a l u e i s 4 0 % h i g h e r t h a n r e p o rt e d a b r o a d . w i t h e n g i n e e r i n g d e s i g n m e t h o d a n d f i n it e e le m e n t m e t h o d , t h e m a g n e t i c c i r c u it w i t h r a d i a l p o l a r i z a t i o n w as c a l c u l a t e d a n d s t u d i e d . c o n s i d e r i n g p r e v i o u s e x p e r i e n c e , t h e a u t h o r d e s ig n e d a n d m a n u f a c t u r e d a p e r m a n e n t m a g n e t w i t h h i g h m a g n e t i c f i e l d f i tt e d f o r t h e r e l a t i v is t i c m a g n e t r o n , w h o s e a v e r a g e m a g n e t i c f i e l d i n t h e i n t e r a c t iv e a r e a r e a c h e s 0 . 5 7 t a n d w h o s e u n i f o r m i t y a r e a ab s t r a c t l e n g t h i s o v e r 7 0 m m . t h e m a g n e t i c f i e ld o f t h i s p e r m a n e n t m a g n e t m e e t s t h e r e q u i r e m e n t s o f a v e r a g e r e la t iv i s t i c m a g n e t r o n w i t h t h e h i g h e s t v a l u e a v a i l a b l e . b y a n a ly z i n g t h e p h e n o m e n a a p p e a r in g i n t h e r e l a t i v is t i c m a g n e t r o n w i t h p e r m a n e n t m a g n e t , a d v a n c i n g t h e c o n d i t i o n s o f c a t h o d e m a t e r i a l , c a t h o d e c o n f i g u r a t i o n a n d o p e r a t i n g p o i n t , w e p r o m o t e t h e o u t p u t p o w e r l e v e l o f r e l a t i v i s t i c ma g n e tr o n w it h p e r m a n e n t m a g n e t u p t o 2 5 % t h a n p r e s e n t l e v e l . me a n w h i l e , we b u il t u p t h e s im u l a t e d m o d e l o f t h e r e l a t i v i s t i c m a g n e tr o n w i t h p e r m a n e n t m a g n e t , a n d s i m u la t i o n r e s u l t s w it h t h e e x p e r i m e n t a l d a t a . t h e r e s u lt s h o w s c o m p a r e d s a t i s f a c t o ry c o n s i s t e n c e b e t w e e n t h e m . b y u s i n g t h e e n e r g y b a l a n c e e q u a t i o n i n r e l a t i v i s t i c m a g n e tr o n , w e p u t f o r w a r d t w o p r o j e c t s w h i c h c a n g e t a h i g h p o w e r o u t p u t w i t h n m o d e a s o p e r a t i n g m o d e a n d 2 n m o d e a s o p e r a t i n g mo d e r e s p e c t i v e l y . t h e r e s u lt s o f p a r t i c l e i n c e l l s h o w s th a t wit h t h e ma g n e t i c f i e ld 0 .5 5 t a n d t h e o p e r a t e d v o l t a g e o f 6 3 0 k v i n t h e p r o j e c t 1 , w e c a n g e t a n o u t p u t p o w e r o f 1 . i g w a t 3 g h z , w h e n u n d e r o p e r a t i n g v o l t a g e r e a c h e s 8 9 0 k v i n p r o j e c t 2 , w e c a n g e t a n o u t p u t p o w e r o f 2 g w a t 4 .6 g h z . t h e re s u l t s c o m p le t e ly c l a r if y t h e m i s u n d e r s t a n d i n g s t h a t r e l a t i v is t i c m a g n e tr o n c a n n o t g e t h ig h p o w e r o u t p u t w it h l o w o p e r a t e d p o i n t . f o r f i r s t t i m e , t h e p a p e r c o m p re h e n s i v e ly a n a l y z e d t h e in fl u e n c e p re p u l s e h a s o n t h e p e r f o r m a n c e o f re l a ti v i s t i c m a g n e tr o n , a n d p o i n t in g o u t t h a t p re p u l s e h a s p r o f o u n d i n fl u e n c e o n t h e o u t p u t p o w e r , p u l s e w i d t h a n d f r e q u e n c y o f re l a ti v i s ti c m a g n e t ro n w h e n p l a s m a a p p e a rs i n a d v a n c e a s a re s u l t o f t h e r i s i n g ti m e o f p u l s e a n d i n t e n s i f i e d i n t e r n a l m o d e c o m p e ti ti o n . wh i le w o r k i n g f o r t h e d o c t o r d e g r e e , t h e a u t h o r p u b l i s h e d t h r e e p a p e rs , w h i c h a re a l l r e c o r d e d b y e l , a n d g o t t h re e a w a r d s o f n a t i o n a l d e f e n c e s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y , t h e y a r e : s b a n d r e l a ti v i s t i c m a g n e tr o n , s b a n d r e l a t i v is t i c m a g n e t r o n w it h p e r m a n e n t m a g n e t a n d m u l t i b e a m k l y s tr o n m o d u l a t o r a n d m u l ti c h a n n e l h i g h r e p e ti t i o n s y n c h r o n o u s p u l s e g e n e r a t o r . a s t h e e m c e e , t h e a u t h o r i s h o s ti n g a n 8 6 3 n a t i o n a l p r o j e c t . u p t o n o w a b o u t l m i l l i o n y u a n r mb h a s b e e n d e v o t e d t o t h e res e a r c h , a n d a u t h o r w i l l s u c c e s s f u l l y c o m p l e t e t h e mi s s io n in t h e y e a r 2 0 0 5 . k e y w o r d s : h i g h p o w e r m i c r o w a v e , r e l a t i v is ti c ma g n e t r o n , e f f i c i e n c y , f r e q u e n c y a g i l e , p e r m a n e n t e n c a p s u la t i o n , p e r m a n e n t m a g n e t , r is in g - s u n ma g n e t r o n 独 创 性 声 明 本人声明 所呈交的学 位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。 据我所知，除了 文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电 子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示 谢意。 签 名 : 看 - ra日 期 : o-( 年 : 月: 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了 解电 子科技大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留 并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。 本人授权电 子科技大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印 或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) v -g : 方， a导 师 签 、 日期: 寡业夕 o s 年夕 月7 日 电 圣 卫 鱼 垫望壑竺兰一一 第一章 绪 论 1 . 1 研究背景 高功率微波( h i g h p o w e r m i c r o w a v e , h p m ) 主要是指 频率自1 g h z 到3 0 0 0 h z , 峰值功率大于1 0 0 m w 的相干电 磁辐射， 它是上个 世纪随 着脉冲功率技术发展而新 兴起来的 研究领域， 由于 其在军 事和民 用上广阔 的应用前景， 引 起了 各国 研究学 者的 关注， 成为目 前国际学术界十分 活跃的 前沿研究学科之一。 从 普通磁控管强 流基础上外推而发展起来的相对论磁控管 ( r e l a t i v i s t i c m a g n e t r o n ，简称r m) , 具有结构简单、 加工成本低廉、 对电 压波形的适 应性强 及使用寿命长等优点， 是 高 功率微波源家族的 重要成员。 同时， 相对论磁控管起振容易、 输出 功率大， 具 有小型化的潜力， 在移动式平台 上具有很强的竞争力，自 诞生以 来， 一 直是 被关 注的焦点。 1 . 2 研究现状 相对论磁控管是普通磁控管在高压、 大电 流方向 的直接外推， 其特点 是将现 代脉冲功率技术与爆炸发射阴极技术用到磁控管中， 利用数百千伏以上电 压， 数 十k a 电流驱动磁控管， 1 9 7 5 年， 科学家b e k e f i 和o r z e c h o w s k i 研制出了 第一只 相 对论 磁 控 管 i一 3 1， 在4 .6 g h z 下 取得 了9 0 0 m w的 峰 值 功率 。 如 此高 的 峰 值 功 率引 起研究者们的 极大注意， 由 于看到它的巨 大应用潜力， 美国 和前苏联等国 家 投入大量的资金， 并制定了详细的计 划对其进行研究， 相对论磁控管取得了 长足 的发展，不但频谱扩展到 1 - i o g h z的 范围 ，峰值功率与 平均功率得到数量级的 提高，而且在诸如锁相、 调谐、 永磁包装等领域的研究，都 取得了良 好的 结果。 表1 - 1 汇聚了近三十年来，相对论磁控管在各 方向 取得的重大研究成果。 表1 - 1相 对论磁 控管 主要实验研究结果 第一章 绪 论 2 0 0 0 年， 中国电 子科技大学的研究小组成功实现了r m 的永磁包装1 9 1 ， 在磁 场强度0 . 4 6 t 与均匀区6 0 ，的永磁体下， 获得超过4 0 0 m w 的 功率输出。 这是第 一只永磁包装的r mo 1 . 3 相对论磁控管的 研究 热点 很长一段时间r m研究的 重点 集中 在高功率 ( 图 1 - 7 ( b ) ) ，包 括高平均功 率和高峰值功率， 对 r m的 效率关注较少， 研究 者们深信随 着研究深入， r m效 率问题会向 普通磁控管 一样， 逐渐得到改 善。 但是， 根据从各种文献获得的实验 数据，我们总结出 如图 1 - 7 ( a ) 所示的r m效率发展曲 线， 发现 r m 的效率不 仅没有出 现人们期望的 提高， 反而由 于测试手段改进和测试精 度提高， 呈现下降 趋势。1 9 9 9年，由 r o b e rt j .b a r k e r主持编写的 美国大学多学科研究创新计划 ( m u r i 计 划) 总 结 报 告 4 2 中 指 出， r m的 严 重 缺点 是 其 低 效 率 ( 1 0 % 2 0 % ) a 近年 来， 研究 者 们 从 不同 的 角 度 4 3 4 41145 1探 讨 了r m的 低 效 率 机 制， 也 尝 试了 多 种途径 4 6 4 7 1 1 4 8 1 提高r m的效 率， 但是对r m低效率的机制并没有形成一致认识， 提出的各种改善r m效率的措施也没有取得 很好的 实验结 果。 低效率引 发了 一系 列问题， 包括阳极 腐蚀， 等离子体生 成， 重复 脉冲工作， 脉宽，小型 化等，已 经 成为当前限 制p m继续向 前发展的 最大障碍。 因此， 全面深入地分析r m互作用 机制， 挖掘出r m低效率的基本限 制因 素， 从机理角度出发改善r m效率是当前 r m研究最迫切的问题。 .日礴，0 9巴.港趁，.奄卫苦 (巴翻吕滋月七.乏匡 ( a )效率( b )功率 图1 - 7 r m效率与功率的发 展 与低效率特点同 样突出的 是r m的 可调谐性，由p i 公司研制的 调谐r m 1 7 1 是调谐性能最突出的高功率微波源。 在高功率微波源家族中，目 前仅有虚阴极 ( v i r c a t o r ) 具有同 样的宽 频带调节特性， 但从二者性能比 较( 表 1 - 4 ) 看， 无论是 效率， 还是持续的调谐范围， 虚阴 极都略逊于r m。 可调谐具 有现实的实际 应用 价值， 是高功率微波源发展的重要方向 之一， 在r m的所有发展方向中， 可调谐 性获得 了高度评价，是最耀眼的亮点。 电子科技大学博士论文 表1 - 4可调谐r m与虚阴 极的 性能比较 p o we r e ff i c i e n c yt u n i n g r a n g e p ulsew idth o p e r a te d mo d e r m11 7 14 0 0 - 6 0 o mw 1 0 % 2 4 % 8 0 %功率 点) - 7 0 脉冲串形式工作，重复频率 i o o hz ， 持 续时间 1 0 s v ir c a t o r le 91- 1 g w 6 ， 么 1 5 % ( 半功率点 ) 2 0 - 3 0 n s 脉冲串 形式工作， 重复频率5 0 h z ，持 续时间2 0 s 美 国 高 功 率 微 波 的 总 体 发 展 思 路 和 现 状 具 有 如 下 轮 廓 50 1- 60 1， 上 世 纪8 0 年 代 主要针对源 和效 应， 9 0年过渡到应用牵引， 本世纪初逐渐向平台发展。受高 功 率微波发展 大趋势的 影响， r m研究也从最初的实验室 研究过渡到目 前以 应用为 目 的 的 研 究 。 1 9 9 5 年， b e n f o rd 6 1 从 研 制 实 用的 高 功 率 微 波 系 统 角 度 出 发 ， 归 纳 了高功率微波 源的四 个发展方向: 以 连续或脉冲串 形式实 现高重复 频率 工作; 全面减小系统 尺寸、 重量和功率消耗; 可调谐; 长寿命。 结合表1 - 1 所 列 的数据， r m在、 和方向 的发展都取得了 很好的 实验结果， 方向 包含 两 个方面的内 容， 一是提高效率， 这与前面 提出的r m低效率问 题如出 一辙， 另一 个方面是小型化。 在强烈的 应用需求下， 小型化问 题受到了广 泛关注， 如 今由 美 国国 防部提 供经费的h p m m u r i 计划中 小型化成为一个重要内 容。实 现r m小 型化的最理 想途径是永磁包装， 它不仅可以 有效的 减小r m系统尺寸、 重量， 也 对 r m 的 总体效 率和稳定 性有积极作 用。1 9 9 7 年国内电 子科技大学开 始发展了 r m永磁包装 技术， 短短的 三年间将 永磁包装 r m 的 功率水平从几十 m w提高 到4 3 0 m w 1 9 1 。 永 磁包装r m显现出 迅猛发展势头与永磁包装对于r m实现小型 化的意义必将 使永磁包装成为r m的 重要发展方向。 综上 所述， 将当 前r m的 研究热点归 纳为一 大难题， 一个亮点与一个方向 ， 一大难题指r m的 低效率问 题， 一大亮点指r m的 可调谐研究， 一大方向 指为了 实现小型 化的永磁 包装r m研究。 1 . 4 论文主 要内容及作者工作的创新点 围 绕上述热点问 题， 论文工作在课题组的前期工作“ s 波段相对论磁控管， 、 s 波段永磁包装相对论磁控管” 基础上展开， 有以下创新性 贡献。 1 .全面深入 地分析影响 相对论磁控管 效率的 各种因 素， 证明 高r f 场强是导致 r m低效率的主要原因， 提出 三种提高 效率的 措施， 并首次提出 高效高阻抗 相对论磁控管的组合方案。 第一章 绪 论 2 .设计并制作了一个高场强永磁体，把相对论磁控管永磁包装的实验水平从 4 3 1 mw 提高到 5 3 0 mw，在此基础上优化设计了功率高达 2 g w永磁包装相 对论 磁控管， 这在国内 外尚 属首次。 3 .将模式选择与提高效 率的理论应用于研究中， 进行了 可调 谐相对论磁控管的 物理设计、 粒子模拟， 工程制作与实 验测试， 在s 波段获得2 0 %的 调谐带宽 和 1 . 0 -1 . 7 g w的 输出功率， 该功率比以前由美国p i 公司创 造的可调 谐r m 的最高水平，4 0 0 -6 0 o mw 高出了一倍以上。 4 .首次， 全面、 深入地分析了预脉冲对相对论磁控管的 性能影响。 本论文内容安排秩序如下: 第一章 绪论 综述 相对论磁控管 研究的 进展， 在各领域的 重大 研究成 果及当 前研究的 热点 问题。 第二章 磁控管的 基本理论与研究方法 详细阐述相对论磁控管的特点，基本理论与研究方法。 第三章 相对论磁控管的效率分析 分析 影响 相对论磁控管效率的 主要因 素， 并以a 6 相对论磁控管为例， 量化 比 较各因 素对效率的 影响差异， 得出“ 强” 场使电 子迅速打上阳极， 导致电 子与 高频场之间藕合较低且部分电子将从高频场吸收能量是造成相对论磁控管低效 率的主要原因。由 此出 发，提出三个改善相 对论磁 控管效 率的措 施。 第四章 可调谐相对论磁控管 研制 基于普通磁控管调谐方式的比较与异腔结构高 频特性的分析， 提出s 波段可 调谐 r m的初步方案，通过高频场分析软件 ( h f s s )进行优化设计，工程制作一 个可调谐r m ，并进行相关实验研究。 第五章 高功率永磁包装相对论磁控管研究 分析永磁体磁路， 设计一个高磁场强度的 永磁体， 并利 用此永磁体研制 更高 输出 功率的 永磁包装相对论磁控管。 同 时根据能量平 衡方程， 提出了 两套具有高 功率的低磁场 r m 方案。 第六 章 预脉冲对相对论磁控管性能的 影响 详细介绍 预脉冲 产生原因，同时 结合实验与模拟，研究预脉冲对工作电 压、 模式竞争与 谐振频率的影响。 第七章 结束语 对论文 工作 进行了总结分析。 电子科技大学博士论文 第二章 相对论磁控管的基本理论与研究方法 2 . 1 磁控管的基本原理 2 . 1 . 1 磁控管的基本结构 磁控管的基本结构如图2 - 1 所示， 它的阳 极部分由 一系列具有相同 尺寸的 谐 振腔沿角向 均匀排列组成， 阴极处于磁控管的中心位置。 谐振腔的数目 由 谐振频 率点的分布确定， 为了保证足够的 频率间隔， 通常如图2 - 1 所示的同腔结构相对 论磁控管谐振腔数目 为6 个， 普通磁控管由于采 用了隔 模带， 谐振腔数目 一般多 一些。 谐振腔的 形状也不只图2 - 1 所示的 扇形， 还 包括孔缝型、 槽型等 等， 但扇 形由 于 特征阻 抗高， 在相对论磁控管中 使用最普 遍。 总体上， 相 对论磁控管比 普 通磁控管的结 构更简单，体 积更大，谐振腔数目 也 更少。 r m工作时，阴、阳极间加上数百 k v以 上的脉冲电 压，电 力线沿半径方向 由阳极指向阴 极， 与磁力线垂直， 是典型的 正交场器 件。 其阳 极材料多为不 锈钢， 阴 极多为圆 柱形爆炸发射冷阴极， 材料有不锈钢， 石墨， 黄铜， 铝， 天鹅绒等多 种。 阴阳极之间加上适当脉冲高压后， 阴极 表面的 发射电 流密度可达每平方厘米 千安培以 上， 其磁 感应强度多在0 . 5 至 1 特斯拉之间， 一般由 脉冲磁场装置 提供。 图2 - 1磁控管基本结构截面图图 2 - 2磁控管等效电 路 2 . 1 . 2 磁 控管的高 频系统 圆周方向 均匀排列的 谐振腔相互之间 通过缝隙和互作用空间祸合在一起。 分 析时有两种 方法， 一是从波动方程出 发， 根据边界条件严格求解， 对于规则的边 界条件， 可以直 接求得解析解， 对于 一些非 规则边界， 可以 利用有限元法进行数 值解，依次为基础，一些模拟分析软件被发展起来，著名的有 h f s s ( h i g h f r e q u e n c y s t r u c t u r e s i m u l a t o r ) , c s t ( c o m p u t e r s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y ) 等， 本论文中 主要利用了 h f s s ;二是 用等效电 路法进行分析。 两者的结 果是一 致的， 后 者更有 利于 解释物理概念和进行初始设 计。 与图2 - 1 磁控管 基本结构相 对应的等效电 路如图2 - 2 所示。 其中l 和c 是每 个小腔的等效电 感和等效电 容， 它与小腔最低模式的 谐振频 率由下式联系 1 w 0 一l c 第二章 相对论磁控管的基本理论与研究方法 1血 7 胜 c m 贾, 20 6 口 住 为 , 州 刀(屯 x , i石7 g t e : 3 0以 笋 6卜 位 c 9, 07 7 9g! k 九 3 , 3日1 5 4 哩洲多 瑚诩俐诩洲划黝咖150切的 05 1 1 . 5 2 2533 5 4 45 m a g o e ln f c lo ) k 0 ) rot r七 二 2 0 7 日 仁 m kv琳 v州 55a刘们仰翔翎酬200朗明的 w m-f .a 1 w ) 咖洲枷noo翻期溯溯15010050 叫 阳n . i . f l. m呢k g ) ( d ia t g 0 c 1 0 f e 侧(k g ) ( j ) 图2 - 1 5 阴 极 增 加 ， 谐 振 频 率 和同 步 条 件的 变 化 2r ) 和)t 2 为n 模的 谐 波) 从图2 - 1 5 c a ) 到( d ) ， 阴 极每次增加 1 毫米， 保持t作点 ( 3 0 0 k v , 2 . 2 k g s ) 恒定。 在阴 极增加的 过程中明 显地反映出， 工作点逐渐偏 移二 模谐振曲 线， 将导 致磁控管工作跳模或停振，造成脉冲缩短， 这是困 扰高功率微波的一大难题。 2 . 3 相对论磁控管的 研究方法 目 前行之有效的r m研究手段有三种: 理论分析、 粒子 模拟与实 验研究。 理 论和实验是初期研究r m的主要手段， 近些年随 着高 速度、 大容量计算机地迅 速 发展， 为科学 研究提供了一 种新的 研究手 段 计算 机模拟。 在理论研究中， 对 于物理规律还不清楚的问 题， 用粒子模拟方法先模拟该问题， 可以 帮助建立明 确 的物理图 像， 明确各物 理量 数量级 大小， 促进新的理 论模型产生。 对于新产生的 理论， 可以 用粒子模拟方法对它作初步的验证， 为 对理论 模型作出修正和改进提 供可靠的 信息， 这比 一开始就 用实 验方法 来验证理论省时、 省 力、 经济， 而且 方 便得多， 提供的信息也 更丰富 完备得多。 在实 验研究中， 对于新发现的 一些实 验 现象， 理论上