Релятивистский твистрон с КПД 56% на основе конструкции лампы обратной волны с модулирующим рефлектором

Abstract

Посредством численного моделирования продемонстрирован режим работы релятивистского черенковско-го СВЧ генератора типа твистрон на основе замедляющей системы лампы обратной волны и модулирующего рефлектора с немонотонным, сильно неоднородным по длине системы энергообменом и эффективностью преобразования по мощности от электронного пучка в электромагнитное излучение 56% при " электронном" КПД 66%. Для ускоряющего напряжения 340 kV и тока электронного пучка 3.3 kA расчетная мощность генерации составила 630 MW на частоте 9.7 GHz при ведущем магнитном поле 2.2 T. DOI: 10.21883/JTF.2017.06.44522.1978 Распространенным типом мощных СВЧ генераторов на основе сильноточных электронных пучков являются генераторы на основе релятивистской лампы обратной волны (РЛОВ). Внимание исследователей и разработ-чиков в последние два десятилетия привлекают РЛОВ, снабженные модулирующим рефлектором [1], облада-ющие кроме высокого КПД (свыше 40%) и другими преимуществами: увеличенным размером и электро-прочностью замедляющей системы (ЗС), возможностью в широких пределах управлять частотой генерации. По-вышению КПД генераторов такого типа уделяется при-стальное внимание. Ориентиром, стимулирующим эти исследования, являются высокие (до 60−70%) величины КПД, полученные в разные годы в упрощенных моделях РЛОВ с ЗС, неоднородными по фазовой скорости или по связи волны с пучком [2,3]. Недавно в численном эксперименте с использованием полностью электромаг-нитного кода UNIPIC за счет сложного профилирования ЗС прибора был рассчитан режим генерации РЛОВ с эффективностью 48% [4].В РЛОВ с модулирующим рефлектором [1] поле в рефлекторе вызывает модуляцию электронного пучка по энергии, и на вход ЗС поступает уже в большей или меньшей мере сгруппированный пучок. Было показано, что в приборе такого типа варьирование амплитудно-фазовых соотношений между высокочастотным током в пучке, созданным модулятором, и полем синхронной волны на входе ЗС позволяет в широких пределах управлять частотой и эффективности генерации. В ра-боте [1] подробно исследован случай, когда сгусток электронов на входе в ЗС попадает в тормозящую фазу синхронной (−1) гармоники встречной волны, и ключевую роль в энергообмене играет взаимодействие пучка с полем именно этой гармоники. Для такого типа фазировки сгустка простые расчеты в одномерных моделях демонстрируют возможность достижения (при оптимальной величине объемного заряда пучка) высоких КПД -около 60%.Нельзя исключать, что высокоэффективая генерация возможна и при существенно иных амплитудно-фазовых соотношениях. Поиск в этом направлении может быть связан, в частности, с использованием полей наиболее интенсивных несинхронных волновых гармоник, суще-ствующих в ЗС: нулевых гармоник попутной (и, воз-можно, встречной) волны и (−1)-й гармоники попутной волны. Расчет такого прибора и описан в настоящей работе.Расчеты выполнены в осесимметричной версии полно-стью электромагнитного кода KARAT [5], ранее много-кратно использованного при разработке СВЧ генерато-ров различных типов [6][7][8], а также в одномерной PIC-модели РЛОВ [9] с ...