4-52  X波段类周期加载微波腔的粒子模拟和优化设计

李正红  孟凡宝  黄  华  常安碧

返波管器件在X波段高功率微波研究具有代表性，在返波管中返波辐射随着离阴极距离的减小而增加，使该器件不利于在高功率下工作；为了克服这种问题，采用类周期加载微波腔，通过结构优化，使电子束同前向波作用，在微波腔中微波场主要集中在输出端，利于器件在高功率下工作。近期研究工作将类周期加载微波腔设计工作在X波段，模拟微波输出功率为1.67 GW，束波转换效率达到36%；同时用从俄罗斯引进了SINUS-700加速器驱动的初步实验，其结果为：微波频率9.4 GHz，微波功率1.3 GW，脉冲宽度约26 ns。

图1为类周期加载微波腔结构图与微波腔中r =0.7 cm处轴向电场E_z的近似分布，图中1区(0<z<L₁)部分为微波腔主结构（周期结构），2区(L₁<z<L₂)是漂移段，3区(L₂<z<L₃)是换能区。

首先根据图1的基本结构建立微波腔，然后调节微波腔结构，使其场分布接近图2的场分布，在适当的电子初始能量下，效率可达到60%；图3为采用环形电子束(800，8 kA)驱动，在2.5维PIC程序上的模拟结构，微波输出模式为TM₀₁，微波频率约为9.4 GHz，微波峰值功率为1.67 GW，效率为36%，图4为微波输出功率随引导磁场的曲线，由图看出，当磁场大于3.2 T时，微8波输出功率趋于饱和。