同轴回旋自谐振脉塞放大器的线性分析.pdf

强激光与粒子束
第18卷第7期Vol.18,No.7
年月
20067HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2006

文章编号:1001-4322(2006)07-1159-04
同轴回旋自谐振脉塞放大器的线性分析*

胡莉

(重庆工商大学理学院,重庆400067)

摘要:从同轴回旋自谐振脉塞(CARM)放大器的回旋动力学理论入手,详细分析了各参量对同轴
CARM放大器的线性增益的影响。通过数值模拟,发现该器件的线性增益对及对同轴波导的外半径、电子导
引中心半径以及加速电压的变化非常敏感,而随波导内半径的变化不敏感。经优化,当外半径为3.805Cm,导
引中心半径为1.309Cm,内半径为1.039Cm,加速电压为54.9kV时,器件的线性增益最高为294.96dB/m。
关键词:同轴CARM放大器;回旋动力学;线性增益
中图分类号:TN128文献标识码:A

回旋自谐振脉塞(CARM)基于其能长距离维持谐振条件,可以获得高功率及高效率输出。国内外学者对
其在理论、实验及计算机模拟上已经做了大量的分析,并且取得了相当的进展[1-9]。其中研究得最多的是圆柱
波导CARM振荡器[1-2,4,7],并在实验中取得了可喜的成绩。而关于CARM放大器,人们在理论上做过很多研
究,但从实验方面而言,目前只有美国麻省理工学院有相关的报导[9]。其主要原因是放大器对电子束质量要求
高,工程上有一定难度。
随着对器件输出功率的要求越来越高,器件的散热性能成了一个备受关注的问题。同时,所设计的波导腔
尺寸较小,因而加工上也面临着一些困难。针对目前的研究现状,西南交通大学的张世昌教授提出一种新型器
件---同轴波导CARM放大器的设想。因为采用同轴波导可以有效地增大腔体的散热面积,改善器件的散热
性能,并且在圆柱腔体内插入一个内导体将会使工作模式附近的模谱变稀,从而有效地抑制模式竞争,并有利
于工业加工;同时该器件还结合了CARM放大器自身输出功率大、效率高等优势。本文从同轴CARM放大器
的回旋动力学理论出发,利用Fortran软件进行数值模拟,详细分析了各参量对同轴CARM放大器线性增益
的影响,探讨其理论可靠性,为工程实践提供理论借鉴。

同轴放大器的回旋动力学理论
1CARM
假设在同轴波导中浸泡在均匀纵向静磁场中的环状电子束足够稀薄其自身场可忽略不计波导中
,B0,,
的高频场可以采用冷波导模式代替,作为一阶扰动量。由Vlasov方程解出电子束的分布函数,再由波动方程
可以推导出模的色散方程[8,10]
TEmn
2∞()2(222)
ω222Qlω-kzvzβ⊥0Wlω-kzc
2-kz-kC=[-2+Ul]+
clΣ=-∞ΩlΩl
∞∞
KTl+1KTl-1
+(1)
lΣ=-∞2(Ωl-ΩC)lΣ=-∞2(Ωl+ΩC)

Ωl=ω-kzvz-lΩC(2)
''
Zm(kCR)=Jm(kCR)Nm(kCRout)-Nm(kCR)Jm(kCRout)(3)
22222222
Kmn=(kCRout-m)Zm(kCRout)-(kCRin-m)Zm(kCRin)(4)
22
Neµ0ekC
K=22(5)
πγ0m0RoutKmn
'2
Wl=KZl(kCa)Zm-l(kCR0)(6)
'"2
Ql=Wl+KkCaJl(kCa)Jl(kCa)Jm-l(kCR0)(7)

2m-l22
Ul=K(m-l)Zm-l(kCR0){Zl(kCa)+[()-1]Zl(kCa)}(ω-kzvz)/ΩC(8)
kCa

*收稿日期:2005-08-24;修订日期:2006-03-13
基金项目:国家自然科学基金资助课题(60071011)
作者简介:胡莉(1978-),女,硕士,从事高功率微波源技术研究;hulili12sina.Com。
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书
1160强激光与粒子束第18卷

[2()2()]['()()()/]
Tl±1=Zm-lµ1kcR0-Zm-lkcR0kcaJl±1kca+m-lµ1Zl±1kcaQlΩc×

[(ω-kzvz)Zl±1(kca)-kcv⊥Zl(kca)](9)
式中是真空磁导率是纵向单位长度上的电子数目分别为同轴波导的外半径和内半径
:µ0;Ne;Rout,Rin;ω,kz
分别为波的角频率和纵向波数和分别为电子的纵向速度和横向速度为回旋谐波次数
;vzv⊥;l;Ωc=eB0/γm0,
为相对论电子回旋频率和分别是电子的相对论洛伦兹因子静质量和电量是纵向静磁场为真
,γ,m0e、,B0;c
空中的光速为波导腔的截止波数是电子导引中心半径是电子的
;kc;β⊥0=v⊥0/c;R0;a=γm0v⊥/eB0,Larmar
回旋半径及'是阶第一类函数及其对宗量的导数而及'是阶第二