對于傳統的軸對稱功率源,其輸出功率與頻率的平方成反比,因而在高頻段很難產生高功率輸出。帶狀注速調管為平面對稱功率源,它采用寬高比值很大的薄矩形注降低了束流內的空間電荷效應,時輸出功率與頻率的一次方成反比,因而具有在高頻段獲得高功率微波輸出的巨大潛力。

　　早在1938年,俄羅斯的Kovalenko就提出了帶狀注速調管的概念。隨后的60多年里,美國、俄羅斯和法國的科學家對其進行了初步的研究,但進展緩慢。這是因為帶狀注速調管為非軸對稱結構,其電子光學系統和注波互作用系統的研究需要建立在三維仿真平臺基礎上,這受到當時技術水平限制未能得以實現。近年來,在高功率微波和毫米波源的需求牽引下,帶狀注速調管又重新在國際上引起了關注。它最大的技術優勢在于,其特殊的大寬高比注波互作用段在高頻段可以將尺寸做得較大,從而可大大提高功率容量。因此,在高頻波段(如毫米波段) ,帶狀注速調管有望成為很具競爭力的高功率微波器件。二十世紀九十年代以來,國際上多家機構對其進行了較深入的研究,并取得了一些進展,而國內的研究工作才剛剛起步。

　　圖1為SLAC設計的X波段75MW帶狀注速調管,其工作電壓490kV,工作電流257A,帶狀注截面0.8×10cm²,聚焦磁場3×10^-2T,注波互作用效率為60%。該管目前處于概念設計階段,擬用于下一代線性對撞機。

圖1 　SLAC設計的X波段帶狀注速調管結構示意圖

　　隨著電子計算機的高速發展,其計算能力得到了很大程度的提高。于是PIC模擬方法就開始廣泛應用于對等離子體方面的研究。三維PIC粒子模擬軟件,可以在直角坐標系中時域求解自洽的麥克斯韋方程和運動方程,自動考慮電荷運動所產生的場、空間電荷效應以及磁場力,模擬精度已經得到了實驗驗證。研制帶狀注速調管時,為了預測器件的性能,對器件中帶狀注速調管注波互作用系統進行模擬計算是很重要的。目前, 國外關于帶狀注速調管方面的模擬計算報道很少,本文的研究內容在國內尚屬首例。

　　本文利用PIC粒子模擬軟件模擬了X波段帶狀注速調管三間隙腔的冷特性參數,同時采用CST軟件進行驗證,得到了一致的計算結果; 本文還利用PIC粒子模擬軟件對X 波段帶狀注速調管進行了三維互作用模擬,給出了模擬的一般步驟,得到了包括增益、輸出功率、互作用效率等比較全面的模擬結果。該研究對該類器件的工程設計及實驗研究具有重要意義。

1、三間隙擴展互作用腔的模擬計算

　　在實際制管過程中,采用單間隙腔將會使帶狀注速調管面臨高頻擊穿的問題。解決這一問題的辦法是采用多間隙腔來代替單間隙腔。這是由于在頻率相同的情況下,多間隙腔比單間隙腔具有更長的間隙長度和更高的功率容量,能夠大大改善間隙打火問題。因此,對帶狀注速調管多間隙腔進行研究十分必要。

　　帶狀注速調管三間隙擴展互作用腔是由三個重入式啞鈴型諧振腔形成的一種腔體結構,它是利用矩形漂移通道來進行三個單腔的耦合 。圖2為帶狀注速調管三間隙擴展互作用腔的結構圖。三間隙腔中的所有模式均可為π/3模、2π/3模和π模三大類。其中π模在三個單腔中的電場方向相反,相位相差π的奇數倍。圖3是π/3模、2π/3模和π模電場強度沿軸向的變化(橫坐標z 代表軸向,縱坐標代表歸一化的電場強度) 。

圖2 　帶狀注速調管三間隙擴展互作用腔

圖3 　π/3模、2π/3模和π模軸向電場分布圖

　　參照真空技術網給出的結果中整管設計的要求(電子注電壓415kV ,電子注電流250A) ,確定了腔體參數,采用PIC 模擬軟件得到了諧振頻率為11.425GHz 的X 波段帶狀注速調管三間隙腔的本征模式,如圖4 所示。

圖4 　帶狀注速調管三間隙π模腔電場分布圖

　　圖5 給出了三間隙腔中的模式分布圖(橫坐標為頻率,縱坐標為電場沿x 方向變化的次數) 。其中“+ + + ”“+0 - ”“+ - + ”分別代表π/3模、2π/3模和π模。從圖中可以看出,三間隙腔中的模式較多,模式間隔較小,因此必須抑制非工作模式的振蕩。常用的方法有降低振蕩模式的有載Q值,加吸收腔以及采用特殊腔體結構 。

圖5 　三間隙腔中的模式分布圖

　　采用PIC模擬軟件,對該諧振腔的特性阻抗進行了計算。計算結果表明:振蕩約5ns 后R/Q值穩定在23Ω。同時采用CST軟件進行驗證,得到了一致的計算結果。