W波段带状注聚焦结构的优化设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:杨修东

  为了改善电子注与聚焦磁场的匹配状态以实现带状电子注的长距离稳定传输,提出了一种优化的周期凸起磁场(PCM)聚焦结构。与传统的PCM聚焦结构相比,优化的PCM结构改善了电子注的成形和传输状态,能够约束带状注长距离稳定传输。电子枪设计电压75kV,电流318A,10mm×0.5mm的带状电子注由10mm×4mm的椭圆阴极面发射并在单一方向压缩形成。漂移通道长89mm,横向截面尺寸为12mm×0.8mm。结果显示,磁场周期为12mm,峰值为0.24T;电子注传输时在高度方向的最大波动尺寸为0.6mm。该聚焦结构同时还能兼容线包聚焦方式,磁场强度和电子注输时在高度方向的波动尺寸分别为0.31T和0.5mm,束流通过率为100%。

  近年来,高功率微波器件和技术得到了较快的发展,微波真空电子器件正在逐步向高频率、高功率、高效率、小型化等方向发展。带状注速调管在1938年由俄罗斯人Kovalenko提出,带状电子注器件采用大宽高比截面电子注,有效地降低了空间电荷效应,扩大了互作用区域,降低了击穿的危险,在适中电压下可以得到大电流。在国外,带状电子注在高频率和高电流密度方向的研究较为热门,其中加利福尼亚大学Y.Shin等的仿真结果表明带状注速调管在94.5GHz有望获得50kW的峰值输出功率。在国内,中科院电子所在X波段和W波段带状注的研究取得了一定的进展。

  带状电子注产生、成形和稳定传输是高功率带状注速调管成功研制的关键,带状电子注可以采用均匀磁场、Wiggler磁场和周期凸起磁场(PCM)磁场聚焦。带状注在均匀磁场聚焦的情况下,由于存在Ey×By速度剪切,电子注会出现扭结和撕裂的Diocotron不稳定现象。而研究表明,增强磁场可以有效降低Diocotron不稳定性对带状电子注的影响并获得高传输特性的电子光学系统。采用Wiggler聚焦方式,电子注存在横向摆动可能导致偏转而被截获,适用于短距离传输时的带状注聚焦。中国科学院电子学研究所分别采用线包聚焦和Wiggler聚焦实现了带状电子注的稳定传输。1993年,Booske证明了由周期磁场约束带状电子注是稳定的,同时提出了偏置PCM结构能够在电子注的两个方向上提供匹配的聚焦力。PCM聚焦带状电子注具有更低的横向摆动,可以有效抑制自由电子激光等高频不稳定性,减小因横向速度的增大引起的轴向速度波动,达到带状电子注的高效稳定传输。

  传统PCM聚焦结构与电子注匹配状态不佳导致传输时的波动过大,可能是导致测试直流通过率低的主要原因之一。相对于传统PCM聚焦结构,优化的PCM结构改善了电子注与聚焦磁场的匹配状态,获得了传输波动更小的带状电子注。该聚焦系统同时能兼容线包聚焦方式,在磁场强度为0.31T时的电子注波动尺寸更小。

1、优化的PCM聚焦结构

  电子光学系统的主要设计参数为:电子枪工作电压75kV,电流3.8A;阴极发射面为10mm×4mm椭圆形;电子注通道横向尺寸为12mm×0.8mm,长度为89mm。电子注只在y方向上压缩,x方向基本保持不变,成形后的电子注尺寸约为10mm×0.5mm。EOS是三维微波管模拟器套装(Microwave Tube Simulation Suite,MTSS)的重要组成部分,可以用于带状注电子枪的模拟设计。在EOS环境中建立的电子枪模型如图1所示,电子注从阴极表面发射后在电场的作用下被加速并压缩。电子枪区的耐压是电子枪设计时必须考虑的问题,图2给出了电子枪区的静电场分布,该区域的最大电场强度为9×106V/m,能够满足耐压要求。

电子枪模型

图1 电子枪模型

电子枪区静电场分布

图2 电子枪区静电场分布

3、结论

  针对传统PCM聚焦结构中电子注与聚焦磁场难以较好匹配的问题,提出了一种优化的PCM聚焦结构。该结构有效地改善了电子注与聚焦磁场的匹配状态,能够获得传输波动更小的带状电子注。设计的聚焦系统同时能够兼容线包聚焦方式,且电子注传输更稳定。在优化的结构中,无论使用PCM聚焦方式还是线包聚焦方式,都能够实现带状电子注稳定传输超过89mm。该传输距离能够满足高频系统设计需求,为电子光学系统和高频系统的研制奠定了基础。

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