低脉冲磁场准单模GW级Ku波段高功率微波发生器研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61401484
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0122.物理电子学
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2017-12-31

项目摘要

Ku-band high power microwave is very promising for applications in various military and civil fields such as high power radar, satellite communication, and so on, however there is no existing GW-class Ku-band high power microwave generator by far. In this program, we plan to carry out theoretical and experimental researches in order to design and realize a Ku-band overmoded slow wave Cerenkov-type high power microwave generator. The power handling capacity of a device can be significantly improved to GW-class by using overmoded slow wave structure with large transverse size. Higher order modes competition in overmoded slow wave structure will be analyzed so that mode control and selection method can be properly employed to ensure single-mode operation of the device, and moreover ensure high efficient beam-wave interaction. The condition of microwave absorption induced by electron cyclotron resonance will be analyzed, and normal operation of the device at low guiding magnetic field will be realized by optimizing the slow wave electromagnetic structure and electron beam parameters. If the guiding magnetic field is furthermore designed as a short pulse, Joule heating in the solenoid coils will be much lowered during repetitive operation, and weight and volume of the power supply system for charging solenoid will be considerably decreased. The expected typical simulation results are as follows. When the guiding magnetic field is as low as 0.6T, the generator will be capable of producing more than 1GW high power microwave with a frequency of around 14 GHz, corresponding to a power conversion efficiency of about 40%, and TM01 mode accounts for higher than 90% of the output microwave power. Furthermore, experimental researches will be performed.
Ku波段高功率微波在高功率雷达、卫星通讯以及其他诸多民用、军事领域具有广泛的应用前景,然而目前尚没有GW级Ku波段的高功率微波产生器件。本项目将开展相关的基础理论和实验研究,研制一台Ku波段过模慢波切伦科夫型高功率微波发生器。拟通过采用大横向尺寸的过模慢波结构,将器件的功率容量提高至GW量级,并分析过模慢波结构内部的高阶模式竞争,采取模式选择和控制方法使器件工作在单模状态,保证高效的束波相互作用。分析电子束对微波的回旋共振吸收条件,通过优化慢波电磁结构和电子束参数,实现过模器件在低导引磁场条件下的正常工作。进一步采用短脉冲式的磁场设计,减小重频运行时螺线管线圈中的焦耳发热和励磁供电系统的体积重量。器件的典型模拟结果预期为:在磁场强度约0.6T时,产生功率大于1GW、频率约14GHz的Ku波段高功率微波,功率转换效率约40%,输出微波中TM01模所占的功率比大于90%;并进一步开展实验研究。

结项摘要

民用和军事领域对Ku波段高功率微波(HPM)有着强烈的需求,然而目前尚没有GW级Ku波段高功率微波产生器件。切伦科夫型高功率微波振荡器具有功率效率高、频谱特性好、工作稳定等特点,是目前最有潜力的高功率微波产生器件之一。在此背景下,本项目研究了一种Ku波段低脉冲导引磁场过模慢波切伦科夫型HPM发生器,通过采用过模慢波结构,设置漂移腔和渐变慢波结构,以提高器件功率效率,并改善互作用区射频电场分布,减小最大表面电场强度,提高器件功率容量。该器件在较低的导引磁场条件下,实现了GW级准单模HPM输出。PIC粒子模拟结果为:在二极管电压540 kV、电子束流5.8 kA、导引磁场0.6 T的条件下,获得了功率为1.1 GW、频率为13.8 GHz、功率效率约35%的微波输出;输出微波主模为TM01模,占全部输出功率的95%;器件中最大表面电场强度为0.8 MV/cm。在Torch-01强流加速器平台上对器件开展了实验研究,在二极管电压为740 kV、电子束流为9.9 kA、脉冲导引磁场为0.8 T条件下,产生微波功率最高为1.1 GW、脉宽为24 ns,微波频率单一性良好,中心频率为13.76 GHz,模式为TM01模,功率效率为15%,并且器件具有稳定的运行能力。进一步在HEART强流加速器上开展了初步的长脉冲实验研究,然而实验中出现了严重的脉冲缩短现象,输出微波仅有320 MW,微波脉宽小于30 ns。分析了脉冲缩短的原因,对器件的电磁结构进行了优化改进,预期在Ku波段可实现GW的长脉冲微波输出。此外,项目组还在Ka波段过模HPM振荡器、碳纳米管强流电子束阴极、相对论速调管放大器等方面开展了拓展研究,取得了一些有意义的成果。该项目的研究工作能够促进高频段高功率微波技术的发展,结合项目组提出的脉冲磁场设计方案,可实现器件整体的紧凑模块化封装,具有良好的民用和军事应用前景。

项目成果

期刊论文数量(16)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Design of pulsed guiding magnetic field for high power microwave generators
高功率微波发生器脉冲引导磁场设计
  • DOI:
    10.1063/1.4894204
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    Ju J. -C.;Zhang H.;Zhang J.;Shu T.;Zhong H. -H.
  • 通讯作者:
    Zhong H. -H.
Towards coherent combining of X-band high power microwaves: phase-locked long pulse radiations by a relativistic triaxial klystron amplifier.
迈向X波段高功率微波的相干组合:相对论三轴速调管放大器的锁相长脉冲辐射
  • DOI:
    10.1038/srep30657
  • 发表时间:
    2016-08-02
  • 期刊:
    Scientific reports
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Ju J;Zhang J;Qi Z;Yang J;Shu T;Zhang J;Zhong H
  • 通讯作者:
    Zhong H
A high-gain and high-efficiency X-band triaxial klystron amplifier with two-stage cascaded bunching cavities
一种具有两级级联聚束腔的高增益、高效率X波段三轴速调管放大器
  • DOI:
    10.1063/1.5011057
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Physics of Plasmas
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Zhang Wei;Ju Jinchuan;Zhang Jun;Zhong Huihuang
  • 通讯作者:
    Zhong Huihuang
Proposal of a gigawatt-class L/Ku dual-band magnetically insulated transmission line oscillator
吉瓦级L/Ku双频磁绝缘传输线振荡器的提出
  • DOI:
    10.1063/1.4897937
  • 发表时间:
    2014-10-01
  • 期刊:
    PHYSICS OF PLASMAS
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Ju, J-C;Fan, Y-W.;Zhong, H-H
  • 通讯作者:
    Zhong, H-H
Initiation of vacuum breakdown and failure mechanism of the carbon nanotube during thermal field emission
热场发射过程中碳纳米管真空击穿的引发和失效机制
  • DOI:
    10.1088/1674-1056/25/4/045101
  • 发表时间:
    2016-02
  • 期刊:
    Chinese Physics B
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    Jin-Chuan Jv;Xue-long Zhao;Hong-Yu Zhou;Xiao Wang
  • 通讯作者:
    Xiao Wang

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  • 作者:
    张军;张威;巨金川;周云霄
  • 通讯作者:
    周云霄

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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