W波段分布作用速调管电子光学系统的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院高功率微波源与技术重点实验室 作者:王树忠

  本文设计了W 波段分布作用速调管高压缩比电子枪和均匀场永磁聚焦系统;分析了电子枪区瓷封边对枪区磁场以及电子注直流通过率的影响;分析了不同聚焦磁场下的电子枪区磁场,并进行了测试分析,获得和模拟相一致的结果;给出了电子枪区铁磁性材料的两种工程上的可行性解决方案,增大磁屏开孔方案和部分瓷封边替换方案,其中采用瓷封边部分替换方案可以获得高的电子枪面压缩比。

  分布作用速调管( extended interaction klystron,distributed interaction klystron,简称EIK) 是把行波管宽频带和速调管高功率高增益技术结合起来的一种新型高功率微波和毫米波功率源。与传统的速调管相比,EIK 的每一个谐振腔都由一段多间隙耦合腔构成,由于多间隙耦合腔具有较高的阻抗,较低的外Q 值,从而使其具有较大的效率带宽积,同时,还可以增加功率容量和提高热功率容量,降低高频击穿的可能性。因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为相对于传统速调管而言,EIK 具有高频率、高效率、宽频带和高可靠性的优点;相对于耦合腔行波管,EIK 又具有高功率、高增益和高稳定性的优点。综合而言,EIK 所具有的技术优势如下:

  ①EIK 是为数不多的能够在毫米波段、亚毫米波段,甚至THz 波段提供高功率、宽频带和高纯频谱输出的真空功率源之一。

  ②EIK 保留了传统速调管具有的高可靠性和高功率的优点,通过引入多间隙腔,可在毫米波段达到更大的输出功率、更好的效率和更宽的工作频带。

  ③EIK 通过使用阶梯高频电路,使其在毫米波和亚毫米波段具有高的互作用效率和热稳定性,同时可运行在很低的注电压下。

  ④EIK 的体积小,结构紧凑,单位体积输出功率大,因而在空间微波系统应用中具有很大的技术优势。由此可见,EIK 在毫米波段、亚毫米波段,甚至THz 波段能够提供高功率和宽频带输出,以及在小型化和紧凑型空间电子系统中的巨大应用潜力,成为微波真空功率源一个新的重要发展方向。

  电子注的产生,形成和聚焦是实现高性能速调管最关键的技术问题之一。均匀永磁聚焦是高波段分布作用速调管通常采用的一种聚焦方式。它的优点是不需要磁场电源、容易与电子枪的设计匹配、电子注的直流和高频通过率高等。EIK 的高频互作用长度很短的特点使其适合采用均匀永磁聚焦方式。

1、电子枪的设计

  整管的总体设计要求电子注电压为16 ~18kV,电流为0.6 ~0.8 A,为了确保所研制的管子具有较长的使用寿命,阴极负载需要取相对较小的数值,这里取平均发射电流密度约为10 A/cm2。电子枪面压缩比> 100,聚焦极加负偏压,起到调节电子注入射状态和导流系数大小的作用,聚焦系统为采用均匀场永磁聚焦系统。电子注通道直径取为0. 5mm,电子注直径取为0.25 ~0.35 mm,均匀区聚焦磁场大小约为9000 Gs。根据注波互作用程序确定互作用区的最终长度约为30 mm。

无磁场时的电子轨迹

图1 无磁场时的电子轨迹

  电子枪的结构如图1 所示,它由阴极、聚焦极和阳极构成。阴极面直径取为3 mm,阴极表面曲率半径为4 mm。设计时电子枪电压取为16.5 kV,计算的电流为0.64 A,导流系数为0.3,此时电子注注腰直径大小为0.2 mm,由此知道电子枪的面压缩比大于225。图2 给出了从阴极中心到边缘每个网格区域内的阴极发射电流密度,从图2 中可以看出阴极边缘发射电流密度不均匀,通过阴极边缘倒圆角的形式可以消除发射电流密度的不均匀性。聚焦极加负偏压时,导流系数下降,而聚焦极若加正偏压,只需很小的数值就会导致电子打到聚焦极上而不能进入到电子注通道中。

阴极发射电流密度

图2 阴极发射电流密度

2、结论

  本文设计了W 波段分布作用速调管高压缩比电子枪和均匀场永磁聚焦系统,分析了电子枪区可伐材料对枪区磁场以及电子注直流通过率的影响,对比分析了不同工作磁场下电子枪区可伐材料对阴极表面中心处磁场的影响,测试分析与模拟结果基本一致,给出了电子枪区铁磁性材料的两种可行性解决方案:增大磁屏开孔方案和部分瓷封边替换方案。增大磁屏开孔方案是在不改变阴极区大小腔壳可伐材料的情况下,通过修改阳极磁屏开口计算电子注直径0.35 mm,电子枪面压缩比75,电子注层流性良好。部分瓷封边替换方案是小腔壳可伐材料用不锈钢材料来替代,聚焦极支撑筒一部分材料被不锈钢替代,最终设计的电子注直径约为0.26 mm,电子枪的面压缩比达到133。

  W波段分布作用速调管电子光学系统的研究为真空技术网首发,转载请以链接形式标明本文首发网址。

  http://www.chvacuum.com/Vacuum-Electronics/105660.html

  与 真空电子技术 速调管 相关的文章请阅读:

  真空电子技术http://www.chvacuum.com/Vacuum-Electronics/