回旋速调管注波互作用理论的发展及评述

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学物理电子学院 作者:朱小芳

  回旋速调管是一类具有重要应用前景的高功率、高效率和高增益相干毫米波源。本文简要介绍了回旋速调管的结构和工作原理,重点评述了回旋速调管注波互作用理论的发展状况和趋势,指出了发展中存在的一些问题,并提出了自己的建议,希望能对中国回旋速调管的发展起到一定的推动作用。

  回旋速调管是回旋管家族中的一员,具有高功率、高效率、高增益和一定带宽等特点,广泛应用于雷达、通信、电子对抗、等离子体加热及材料处理等领域,在下一代直线对撞机、高梯度加速器中也有重要应用前景,是实际系统中应用最多的一类回旋管放大器。

  回旋速调管的早期研究和计算多是前苏联科学家开展的,主要致力于基本问题的解决与设计计算。早在1973 年,Demidovich 等开展了回旋速调管计算,其计算的三腔回旋速调管电子效率可达85% 。经过30 多年的发展,已经形成了相对完善的回旋速调管线性理论与非线性理论。此外,粒子模拟理论也逐渐应用于回旋速调管等真空器件的注波互作用模拟。回旋速调管的数值模拟已经成为与解析理论、实验方法相并列的第三种科学研究手段,对提高器件设计能力,缩短开发周期,减少整管硬件实验,改善性能等方面起到极其重要的作用。

  本文在简要介绍回旋速调管的结构和工作原理的基础上,对描述回旋速调管注波互作用过程的线性理论、非线性理论以及粒子模拟进行了综述,分析了各种理论模型的优点与局限,指出了应用与发展中存在的一些问题以及可能的解决方案。希望本文能对回旋速调管的发展起到一定的促进作用。

1、回旋速调管的结构与工作原理

  回旋速调管是回旋管家族中的一员,由电子枪、输入耦合器、互作用回路、磁场系统、收集极、输出窗等部件构成,其互作用回路与多腔速调管类似,由两个或多个分离的谐振腔通过电子漂移管连接而成。图1 给出了一个典型的四腔回旋速调管互作用电路的示意图。

典型的四腔回旋速调管互作用电路示意图

图1 典型的四腔回旋速调管互作用电路示意图

3、主要问题与发展趋势

  回旋速调管各种注波互作用理论模型各有自身的优势与局限,因而也就有各自的最佳适用范围。线性理论简单、直观,有利于理解器件的工作原理与进行器件的初始设计。非线性理论比较真实地反映器件的非线性互作用过程,有利于预测器件的电子效率、输出功率等性能。粒子模拟则可以真实记录电磁场与带电粒子的自洽互作用过程,能分析许多复杂的、不甚明了的物理问题与物理现象。但是,粒子模拟属于纯数值模拟技术,对计算机的要求比较高,计算消耗大量内存,模拟时间长。一般来说,一个器件从初始设计到最终成功,各种理论模型和方法都需要用到,这就要求掌握并灵活运用各种理论模型与技术。

  经过多年的发展,中国在回旋速调管理论研究方面取得了一定进展,但在研究和发展过程中还存在一些问题。这些问题主要包括:

  (1) 成果分散,重复劳动较多随着计算机模拟成为一种科学研究的重要手段,大批科研人员从事数值模拟研究,取得了大量科研成果。但是,这些成果大多是分散的、阶段性的,没有形成完整、系统的实用程序,很多成果甚至被束之高阁。

  (2) 理论模型的精度与效率有待提高目前,国内发展的回旋速调管注波互作用理论模型多采用一定的近似,如高频场分布采用冷腔场分布,忽略空间电荷力,漂移管内不存在电磁场等,其精度与效率相比国外最先进的注波互作用理论模型有进一步提升的空间。

  (3) 程序的系统化与实用化程度低国内相关单位,如中科院电子所、中电科技集团12 所、电子科技大学等,都开发了回旋速调管的数值计算程序。这些程序多局限于内部人员使用,系统化与实用化程度非常低。相比之下,国外非常注重程序的系统化与实用化。美国、俄罗斯、日本等都有成套的数值模拟程序,有些作为商品在全世界销售。如俄罗斯的速调管模拟软件Arsenal,美国的粒子模拟软件MAGIC 等。

  针对以上的问题,建议加强以下几个方面的研究工作。

  (1) 加强精确效回旋速调管注波互作用理论的研究和代码的开发对回旋速调管进行初始设计以及多种不同设计方案的模拟与优化时,采用一定近似的线性理论与非线性理论具有独特的优势。建议加强更加精确高效注波互作用理论模型的研究和代码的开发。在理论模型精度上,可以利用广义电报方程计算回旋速调管整个互作用区内的电磁场,避免逐腔计算、漂移管近似以及冷腔近似可能引入的误差。在理论模型的计算效率上,尤其对场幅度与场分布随注波互作用自洽演变的理论模型( 如MAGY)而言,稳定且高效的场计算与更新算法尤其重要。

  此外,如何准确且高效地获得粒子在任意位置所感受到的场也有重要的研究价值。这些内容直接关系到理论模型的精度与代码的执行效率。

  (2) 加强三维电磁粒子模拟程序的开发与推广应用采用全三维粒子模拟软件模拟器件的注波互作用过程,要求计算机容量大,且运算时间长。但是,随着计算机技术的发展与并行算法的开发,采用GPU 加速以及引入新的高效算法,有望克服这些局限。建议加强三维电磁粒子模拟程序的开发与应用,最大限度发挥其优势,对器件内部复杂物理问题进行研究。注波互作用计算可以在大信号理论模型与三维粒子模拟方法之间进行平衡分析。大信号理论代码可以作为日常设计工具,对器件进行初始设计与优化设计。PIC 粒子模拟则可以用来对器件的最终性能进行确定性分析。利用两者各自的优势,最终高效完成器件的设计、优化与性能分析。

  (3) 模拟程序的系统化与实用化回旋速调管模拟计算的系统化与实用化可以借鉴行波管方面的工作。美国通过MMACE 计划创建了微波电真空器件CAD 系统,集成了电子枪、磁场、注波互作用等各类软件,为提高功率行波管的设计能力,新管型的开发与测试提供了有力的支撑。中国开发了/ 宽带大功率行波管CAD 集成环境0,实现了电子从阴极发射,与高频场互作用直至被降压收集极捕获全过程的二维模拟与可视化。在此基础上,成功开发了全三维的微波管模拟套装MTSS。这些开发平台在国内各制管单位得到推广应用,极大促进了中国行波管设计水平的提高。

  对于回旋速调管的模拟计算,只要在系统化、实用化方面多一些统一安排和部署,避免科研成果的闲置和低水平的重复劳动,精心组织,一定会研究出高水平的计算机模拟程序。

4、结束语

  本文介绍了回旋速调管的结构和工作原理,评述了其注波互作用理论的发展概况和趋势,讨论了理论发展中存在的一些问题,并建议加强精确高效回旋速调管注波互作用理论模型的研究与代码的开发,在系统化、实用化方面多一些统一安排和部署,避免科研成果的闲置和大量的重复劳动,以提高我国在计算机数值模拟方面的整体研究水平。

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