C波段三腔渡越时间效应振荡器的理论与实验

C波段三腔渡越时间效应振荡器是基于三腔谐振腔渡越时间效应的一种新型高功率微波器件. 首先对该器件的工作原理进行了简要论述, 并对径向绝缘二极管、三腔谐振腔、双间隙输出腔及圆波导斜劈天线等部分进行了详细的理论与实验研究. 用解析方法求出了三腔谐振腔的模式及场分布, 导出了三腔谐振腔非π模场的渡越时间效应规律. 最后给出了实验结果. 该器件在C波段产生了半高宽约为15 ns, 峰值功率超过400 MW的辐射微波, 束波转换效率为17%.     

两腔高功率微波振荡器的频率束流负载效应研究

在微波腔中电子束与微波场的相互作用,微波场影响电子的运动,同时电子束作为电流源也产生辐射影响微波场,是一个闭环系统.而辐射微波频率决定于两个因数：电子束的运动和微波器件的谐振频率.根据电子束同微波场之间的自洽互作用过程,给出了辐射微波频率同电子束的运动、微波器件的谐振频率之间的关系,通过2.5维PIC模拟研究了这种频率束流负载效应的特点,理论计算结果同数字模拟结果一致.     

考虑空间电荷自洽作用和绝缘磁场的单边multipactor模型

在考虑了波束相互作用腔中的射频场、聚焦磁场和空间电荷产生的静电场及空间电子束形成自洽相互作用的基础上,针对典型的高功率微波器件——磁绝缘线振荡器建立了单边次级电子倍增模型,统计分析了整个倍增过程中次级电子数目及器件腔壁吸收碰撞电子能量随时间的变化规律,给出了不同聚焦磁场值和电子碰撞角时次级电子的倍增情况.     

圆形槽波导振荡器中径向盘厚度和阻抗的关系

为了实现具有较大阻抗的圆形槽波导与阻抗较小的有源器件之间的阻抗匹配,在W波段圆形槽波导振荡器中采用了径向盘结构,通过改变径向盘的厚度来调节输入阻抗的大小.用完全匹配层将圆形槽波导的开放边界截断为有限区域后,应用有限元法分析基于圆形槽波导的毫米波元件.为了避免传统的有限元方法所遇到的伪模式问题,选用了棱边元对圆形槽振荡器中的径向盘结构的输入阻抗进行数值计算.得出了频率在85～100GHz之间,对应于不同的径向盘厚度的输入阻抗.径向盘的厚度小于0.3mm时输入阻抗较小.计算结果为用于W波段圆形槽波导振荡器的径向盘的优化设计提供了依据.     

带转动的相对论电子束在非中性等离子体柱状波导中传输的稳定性分析

首先利用相对论电子束的自电场与自磁场所产生的径向力平衡方程,计算出相对论电子束在稳态非中性等离子体填充的柱状波导中传输的转动频率。然后运用 MHD 方程,求得电子束静电扰动的本征方程和色散关系。发现电子束与非中性等离子体相互作用的不稳定性增长特性及静电扰动在高频长波被显著放大。     

氮化镓基IMPATT二极管电学特性模拟研究

基于宽禁带半导体氮化镓材料,设计了传统的高-低结构的碰撞电离雪崩渡越时间(IMPATT)二极管,并对其直流特性和高频特性进行了模拟研究。模拟结果显示该IMPATT二极管工作频率达到300GHz,输出功率为1.94W,直流-射频转换效率达到17.2%,结果表明氮化镓材料在太赫兹器件制造领域应用潜力巨大。     

一种环形反射板结构同轴虚阴极振荡器

为了提高同轴虚阴极振荡器的能量转换效率,提出了一种环形反射板结构,在阳极箔末端采用一个环形反射板,利用自反馈微波对电子束进行预调制,增强了波-束互作用,提高了能量转换效率.2.5维粒子模拟表明,微波输出功率随反射板的位置呈周期性变化.经过对结构参数的优化,采用距离阴极发射面左端20mm、内径为25 mm的环形反射板,微波输出功率最高.在外加600 kV电压条件下,模拟得到了1.13 GW微波输出功率,其能量转换效率达到8%,频率为4.85 GHz,频谱特性好.     

相对论返波管慢波结构的优化设计和数值模拟

以环形电子束驱动的、正弦型周期慢波结构的相对论返波管(RBW O)为基础,设计了一种新型慢波结构的RBW O。采用数值模拟的方法对RBW O慢波结构的起始端和末端进行了优化设计,对微波工作频率进行了预测。在磁场为2.5T、二极管电压为710 kV、电流为10 kA的条件下,获得了频率为7.5GH z、微波功率为1.21GW、转换效率为26.6%的微波输出。研究结果表明这种慢波结构相对原结构在微波输出功率和转换效率上都有很大提高,微波工作频率与预测相符合。     

强流电子束产生与应用测量系统研究

以高功率微波为代表的强流电子束的产生和应用在高度信息化社会中展现出巨大的应用潜力和广阔的发展前景。强流电子束产生和应用实验中通过监测强流加速器的二极管电压和电流可以判断强流加速器的工作状态,而高功率微波器件的输出特性的好坏可以通过监测高功率微波的频率、功率及模式来判断,从而实现强流电子束的产生和应用。强流电子束的产生与应用测量系统研究教学不仅为学生掌握强流加速器和相对论器件的工作原理提供好的实践平台,同时为学生在物理电子学专业课程的学习提供更直观的认识和更深入的理解。     

有机发光二极管中不同金属电极引起的奇特磁效应

采用三类金属阴极材料Ca,Al和Cu（Au）通过分子束沉积和电子束加热方式制备了有机发光二极管ITO/CuPc/NPB/Alq3/金属阴极,并在300,200,150,100,50和15K6个温度下,分别测量了不同电极器件的发光随外加磁场的变化（即Magneto-ElectroLuminescence,MEL）.在室温300K下,发现Ca,Al和Cu（Au）电极器件的MEL在低场（0B50mT）均表现为快速上升;但随磁场（B〉50mT）的进一步增大,Ca和Al电极器件的MEL缓慢变大并逐渐趋于饱和,且与阴极的制膜方式无关;而采用电子束加热方式制备的Cu（Au）电极器件,其MEL却表现出高场缓慢下降;且温度越低,该类Cu电极器件MEL的高场下降更为显著.实验研究表明,Ca和Al电极器件的MEL主要是由超精细耦合作用随外加磁场变化引起的.但电子束加热方式制备的Cu（Au）电极器件的MEL除了超精细耦合作用引起的低场快速上升外,其高场下降的可能机制则是：Cu（Au）电极器件中电子-空穴对的俘获区（e-hCapture Zone）靠近阴极界面,相比较于热蒸发的方式,电子束蒸发的方式更容易使重金属Cu（Au）原子得到更高的能量,使其渗透进相邻的有机层Alq3中,Cu（Au）原子的强自旋轨道耦合作用导致电子-空穴对发生自旋翻转,此为MEL出现高场下降的原因.