本文中較全面地討論了多級降壓收集極的物理模型。通過分析3個工作頻率點高頻輸出端的電子注特性來設計多級降壓收集極:借助電子注層流性參量,對帶有再聚焦磁場的散群聚區進行優化,得到磁場參量的初始值;運用電子軌跡等效電位圖,確定各電極的初步電位,通過收集極區結構和電極電位的優化得到較高的收集極效率;通過收集極的全面優化使收集極效率得到了進一步的提高;在考慮二次電子發射情況下,對收集極結構和電極電位進行優化,在保證收集極效率的情況下使二次電子回流率為零。模擬結果表明:借助電子注層流參量設計出帶有再聚焦磁場的散群聚區使電子軌跡層流性得到較大改善;合理的結構和電極電位能得到較高的收集極效率;二次電子發射對收集極效率影響較大,合理的調節外凸錐形電極的傾角能避免二次電子回流。此設計運用于一耦合腔行波管收集極的模擬計算,達到了良好的效果。

　　行波管是一種寬頻帶、高效率、大功率的微波功率放大器件,廣泛應用于雷達、通信、電視、廣播、電子對抗等各種電子設備中。多級降壓收集極(MDC)附加到行波管中,從互作用后的電子中回收可觀的能量,從而提高行波管的效率,改善散熱條件,減輕重量,提高了整管的穩定性和可靠性。收集極效率和二次電子回流是收集極設計的重要指標。

　　采用計算機模擬計算,可以快速地進行多級降壓收集極設計,縮短設計周期,節約成本,降低損耗和浪費,提高設計水平和設計能力。多級降壓收集極模擬設計成為當前行波管設計制造過程中不可或缺的重要環節。國內外有不少學者借助模擬設計軟件對收集極模擬設計進行了研究。

　　耦合腔行波管相對于螺旋線行波管輸出功率大,但其頻寬較窄,電子效率較低,故耦合腔行波管更有必要采用降壓收集極回收廢電子能量,提高整管效率。本文主要是針對行波管內收集極模擬設計進行的,通過對高頻輸出端高中低工作頻率點電子注特性分析,在大致確定再聚焦磁場、電極數及其電位和結構的基礎上考慮二次電子發射的收集極進行優化設計。運用此設計對一耦合腔行波管收集極進行模擬設計,取得了良好的效果,同時為實際收集極的設計提供了一些分析方法和依據。

1、物理模型

1.1、帶有再聚焦磁場(PPM)的散群聚區

　　多級降壓收集極通常被分為散群聚區和降壓收集極區兩部分分別進行分析,所謂散群聚區是指從高頻輸出腔出口到收集極入口這一漂移段。在散群聚區已經基本上沒有高頻電場的作用,磁場的聚焦作用也在減弱,但互作用后的電子的空間群聚依然存在,電子注的紊亂度較大,除此之外,快電子超越慢電子,產生軌跡交叉,故廢電子注能量及角度范圍較大。為有效收集廢電子,在散群聚區加上再聚焦磁場進行改善。它有兩方面的目的:減小空間電荷力的作用;減少電子注中橫向速度分量,使之變成可以被回收的縱向速度分量。衡量再聚焦區的標準是其對廢電子注層流性的改善程度。電子注的特性可用平均半徑〈r〉、平均角度〈α〉及角度偏差σ〈α〉來表示,σ〈α〉(均方根) 是衡量電子注層流性的量。對于一個包含N 個微粒的電子注,這些量的表達式為

　　其中,下標i和f表示開始和結束狀態。

1.2、多級降壓收集極的工作原理

　　在高頻系統中,一方面電子束與高頻場互作用,電子會得到減速,另一方面,電子注與場的互作用又要求維持同步條件,電子的能量不可能在互作用區得到完全的利用,總會有一部分電子能量以動能的形式保留下來,因而電子利用率比較低。多級降壓收集極是在收集極內形成適當分布的靜電場,經過互作用后的電子注進入收集極,運動于這個減速靜電場中,最后按速度分類收集,動能比較大的電子打到電位比較低的電極表面,動能比較小的電子打到電位比較高的電極表面,如此,電子都以比較低的速度被收集。由于電子在減速場中運動,電子對電源做功而將能量交回給直流電源了。這就是采用多級降壓收集極提高行波管總效率的工作原理。多級降壓收集極設計的主要工作就是安排適當的電極位置和電位對進入降壓收集極區的電子注進行回收。為了更好收集電子,設計時應遵循以下準則:

　　(1) 電子盡可能被低電位電極收集,但避免所有電子到達同一點；

　　(2) 電子按照能量(主要是指動能) 的不同分類收集,使不同能量的電子到達不同的電極上；

　　(3) 設計最合理的電極,盡可能使電子速度的減量達到最大(收集極效率最高) ；

　　(4) 收集極設計不應太復雜(即用最簡單、最少的收集電極數達到最好的收集效果) ；

　　限于篇幅，文章第二章節的部分內容省略，詳細文章請郵件至作者索要。

3、總結

　　帶有再聚焦磁場散群聚區對進入收集極區的電子軌跡分布有著重要的影響,從而影響收集極效率。散群聚區尺寸(長度和電子通道直徑) 和再聚焦磁場參量(磁場峰值、磁場起點、磁場周期) 是帶有再聚焦磁場散群聚區設計的關鍵,因此在實際設計中應考慮這幾個因素的影響。借助電子注層流性參量,調節再聚焦磁場和散群聚區可得到層流性良好的電子注。

　　根據進入MDC的電子注特性,描繪出散群聚區電子軌跡的等效電位分布圖,從而確定了收集極級數和初步電極電位。這樣,減小了計算仿真和實際設計的盲目性,從而方便了MDC的設計。借助模擬設計軟件,結合收集區的初步結構可優化出收集極效率較高的電極電位和收集極結構。

　　二次電子對降壓收集極的效率和電子回流率有重要影響,而收集極效率與電子回流率又是考核降壓收集極設計的重要指標。根據打在優化后收集極電極上原電子的平均能量和平均入射角度以及選用的電極材料確定真二次電子發射系數和背射電子發射系數,借助模擬設計軟件對收集極進行精心的電子光學設計,大大改善了二次電子發射對收集極效率和回流率的影響,使模擬設計更接近實際,特別是采用外凸錐形電極調節二次電子回流的新方法,使電極結構簡單,調節方便。但也應該注意到真二次電子發射系數和背射電子發射系數除受上述因素影響外,同時還受到電極表面狀態的影響,如粗糙度和清潔度,故實際加工電極時應提高電極表面的粗糙度和清潔度。