百兆瓦级高功率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:张瑞

  基于强流电子光学理论确定了S 波段100MW速调管电子枪初始参数,对电子枪电极进行优化,获得了导流系数2.0μA·V-3/2 、枪内场强低于22kV·mm-1 、层流性良好的电子枪。设计了均匀磁场电子注聚焦系统,通过对过渡区磁场的调整,实现了对电子注的良好聚焦,模拟表明电子注填充因子约76% ,通过率100%且波动较小。样管的热测实验结果与设计取得了良好的一致性。

  高峰值功率速调管作为经典的微波电真空器件,在现代高能粒子加速器等大型科研设备以及超远程雷达、高功率定向能微波武器等领域都有着重要的应用价值。在过去的几十年间,世界上许多国家的科研机构对高功率速调管进行了大量的研究工作,在S 波段,美国SLAC 研制了65MW和150MW速调管,日本Thoshiba 研制出了100MW 速调管,法国Thales 研制了45MW 速调管。在国内,4404 厂研制了30MW速调管,中国科学院高能物理研究所研制了S 波段45MW速调管 ,中国科学院电子学研究所在2005 年研制出了S 波段50MW 高峰值功率速调管 ,目前正开展S 波段100MW速调管的研究工作。

  电子光学系统为速调管提供直流-高频换能介质,是速调管的关键组件,其设计质量对整管性能起决定性影响。高峰值功率速调管具有高工作电压,大工作电流,这给设计带来了一定的困难:首先,高电压下电子枪的耐压问题更为突出;其次,低阴极负载、阴极发射均匀度及大电子注压缩比同时得到保证具有一定难度;最后,高电流密度电子注具有强空间电荷力,获得层流性好、波动小的聚焦电子注较为困难。

  本文以强流电子光学理论为基础,采用基于稳态算法的EGUN及基于PIC 粒子模拟算法的软件为计算工具,对S 波段100MW速调管电子光学系统进行了设计,获得了各项参数满足要求和聚焦效果良好的电子注,样管的热测实验结果与设计吻合良好。

1、设计软件原理

  本文所采用的两种主要计算软件中, EGUN 美国SLAC 编写的一款电子光学系统计算软件,在目前速调管电子枪的设计中应用最为广泛。经过数十年的使用和不断优化,其计算可靠性得到了广泛认同。EGUN 采用稳态轨迹模拟算法,这种算法通过有限差分法,在给定边界条件和外加静电场、静磁场情况下,迭代求解强流电子光学基本方程组的自洽解。强流电子光学基本方程组为:

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5、电子光学系统的测试

  100MW速调管的样管制作及测试已经完成,其电子枪组件及聚焦系统如图11 所示。第一阶段的主要目标是检验包括电子枪耐压、导流系数以及电子注通过率在内的电子光学系统性能。样管输出系统采用单间隙输出腔,单个输出窗。在下一阶段样管制作中将采用双间隙谐振腔,双端口输出方式。电子枪采用了氧化物阴极。对电子枪进行了热膨胀实验,实验表明在阴极工作温度下,电子枪轴向膨胀约2mm ,根据实验结果在实际制管中适度增大了阴阳极间距离。

电子枪组件及聚焦系统 样管及测试现场

图11  电子枪组件及聚焦系统  图12  样管及测试现场

  样管测试工作在中科院电子所新建测试平台上完成(见图12) ,电子注通过率采用传统测试方法,其测试原理见参考真空技术网另文。速调管高频互作用区与收集极间用绝缘陶瓷隔开,可对收集极电流单独测试,收集极电流与总流比值即为电子注通过率。

  电子枪工作电压U 及总流I 由调制器面板读得,然后由Per = I/U3/2即可计算导流系数。测试结果表明电子枪导流系数介于2.0 与2.1 之间,电子注直流通过率大于98 % ,电子光学系统性能达到了第一阶段的研究目标。

6、结束语

  作为中科院电子所S 波段100MW 速调管研制计划的第一阶段目标,以强流电子光学理论为基础,借助稳态算法程序及PIC 算法程序设计了该管的电子光学系统,制作了束流样管,测试结果表明电子枪、聚焦系统性能指标达到了设计要求,为下一阶段的研究奠定了基础。

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