同軸腔高功率多注速調(diào)管注-波互作用系統(tǒng)的模擬設(shè)計

1、同軸腔高功率多注速調(diào)管注-波互作用系統(tǒng)的模擬設(shè)計 以同軸腔高功率多注速調(diào)管為研究對象，以大信號程序KLY 及PIC 粒子模擬軟件對其多電子注- 波互作用系統(tǒng)開展了一維初始設(shè)計、二維等效設(shè)計及全三維模擬設(shè)計。通過采用二次諧波腔技術(shù)及參數(shù)優(yōu)化，使同軸腔注- 波互作用系統(tǒng)到達(dá)了70%以上的計算效率。與傳統(tǒng)長漂移管方案注- 波互作用系統(tǒng)相比，二次諧波腔方案不僅可以獲得較高的注- 波互作用效率，并且其系統(tǒng)長度可比傳統(tǒng)方案縮短35%，有利于器件小型化。文中給出了以單通道圓柱腔代替多通道同軸腔的注- 波互作用系統(tǒng)二維等效快速計算方法，與一維及三維計算結(jié)果的比照說明，這種方法具有較高的計算精度。 速調(diào)管作為經(jīng)

2、典的大功率微波電真空器件，在高能加速器、自由電子激光器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)單注速調(diào)管可以獲得較高的輸出功率,但其過高的工作電壓會帶來高壓擊穿、輻射增強(qiáng)以及電源調(diào)制器復(fù)雜、笨重等一系列問題，其大工作電流會產(chǎn)生強(qiáng)空間電荷作用力，使電子注聚焦困難，噪聲和陰極負(fù)載增加以及效率降低。 多注速調(diào)管采用多個電子注并聯(lián)工作，可以在較低的電壓下獲得較大的電子注電流及導(dǎo)流系數(shù),從而顯著降低管子的工作電壓。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，具備了三維設(shè)計手段，采用同軸諧振腔及高次模諧振腔的新型高功率多注速調(diào)管得到了發(fā)展。采用同軸諧振腔或高次模諧振腔可以把腔體的體積做得較大，這一方面增加了腔體本身的功率容量，另一方面，電子注

3、不再集中于諧振腔中心通過，增加了陰極的發(fā)射面積，可在較低陰極負(fù)載情況下大幅增加工作電流，從而提高束流功率水平。由高頻諧振腔經(jīng)過合理排布組成的注-波互作 用系統(tǒng)是速調(diào)管中電子注與電磁場開展能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵組件，其設(shè)計特性對速調(diào)管的效率、增益和帶寬等性能具有決定性影響。采用了同軸腔或高次模腔的高功率多注速調(diào)管為非對稱構(gòu)造，其注-波互作用系統(tǒng)的設(shè)計具有一定難度。一維注-波互作用程序雖可對其開展計算，但計算精度不高，適于初始設(shè)計。而三維注-波互作用軟件計算時間較長，難以用其直接開展大計算量的三維優(yōu)化設(shè)計。 本文以L 波段10 mW 同軸腔多注速調(diào)管為研究對象，以一維大信號程序KLY、PIC 粒子模擬軟件

4、對其注-波互作用系統(tǒng)開展了一維、二維、三維模擬設(shè)計。以一維程序計算獲得系統(tǒng)初始參數(shù)，以單通道圓柱腔代替多通道同軸腔的等效模擬方法開展二維優(yōu)化計算，然后以三維計算驗證計算精度。設(shè)計中采用二次諧波腔技術(shù)并通過諧振腔高頻參數(shù)及排布方式的優(yōu)化來獲得較高的注-波互作用效率。 1、L 波段10 MW多注速調(diào)管工作參數(shù) 本文所研究的L 波段高功率多注速調(diào)管整管參數(shù)如下表1 所示。其工作頻率1300 MHz，峰值功率10mW，工作電壓115 kV，總工作電流132 A，速調(diào)管共6 個電子注，每個電子注電流為22 A，電子注排布方式如圖1 所示。速調(diào)管采用了如圖2 所示的同軸諧振腔，工作在TM01基模?；ＭS腔的優(yōu)點(diǎn)是其體積較大，為旁軸多電子注的產(chǎn)生及傳輸提供了充足的空間，并且，其基模工作方式可以最大程度上防止雜模震蕩問題。 表1 L 波段10 mW 多注速調(diào)管參數(shù) 圖1 多注電子槍排布圖圖2 6 注同軸諧振腔 結(jié)論 本文對L 波段10 mW 多注速調(diào)管同軸腔注-波互作用系統(tǒng)開展一維、二維及三維模擬計算，計算說明: 采用二次諧波腔方案的同軸腔注-波互作用系統(tǒng)不僅可以獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，并且相對于長漂移管方案系統(tǒng)長度顯著縮短，有利于器件小型化。采用單注圓柱諧振腔替代多注同軸腔對多注注-波互作用系統(tǒng)開