基于強(qiáng)流電子光學(xué)理論確定了S 波段100MW速調(diào)管電子槍初始參數(shù),對(duì)電子槍電極進(jìn)行優(yōu)化,獲得了導(dǎo)流系數(shù)2.0μA·V^-3/2 、槍內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)低于22kV·mm^-1 、層流性良好的電子槍。設(shè)計(jì)了均勻磁場(chǎng)電子注聚焦系統(tǒng),通過(guò)對(duì)過(guò)渡區(qū)磁場(chǎng)的調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子注的良好聚焦,模擬表明電子注填充因子約76% ,通過(guò)率100%且波動(dòng)較小。樣管的熱測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)取得了良好的一致性。

　　高峰值功率速調(diào)管作為經(jīng)典的微波電真空器件,在現(xiàn)代高能粒子加速器等大型科研設(shè)備以及超遠(yuǎn)程雷達(dá)、高功率定向能微波武器等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價(jià)值。在過(guò)去的幾十年間,世界上許多國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)對(duì)高功率速調(diào)管進(jìn)行了大量的研究工作,在S 波段,美國(guó)SLAC 研制了65MW和150MW速調(diào)管,日本Thoshiba 研制出了100MW 速調(diào)管,法國(guó)Thales 研制了45MW 速調(diào)管。在國(guó)內(nèi),4404 廠研制了30MW速調(diào)管,中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研制了S 波段45MW速調(diào)管 ,中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所在2005 年研制出了S 波段50MW 高峰值功率速調(diào)管 ,目前正開(kāi)展S 波段100MW速調(diào)管的研究工作。

　　電子光學(xué)系統(tǒng)為速調(diào)管提供直流-高頻換能介質(zhì),是速調(diào)管的關(guān)鍵組件,其設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)整管性能起決定性影響。高峰值功率速調(diào)管具有高工作電壓,大工作電流,這給設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難:首先,高電壓下電子槍的耐壓?jiǎn)栴}更為突出;其次,低陰極負(fù)載、陰極發(fā)射均勻度及大電子注壓縮比同時(shí)得到保證具有一定難度;最后,高電流密度電子注具有強(qiáng)空間電荷力,獲得層流性好、波動(dòng)小的聚焦電子注較為困難。

　　本文以強(qiáng)流電子光學(xué)理論為基礎(chǔ),采用基于穩(wěn)態(tài)算法的EGUN及基于PIC 粒子模擬算法的軟件為計(jì)算工具,對(duì)S 波段100MW速調(diào)管電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),獲得了各項(xiàng)參數(shù)滿足要求和聚焦效果良好的電子注,樣管的熱測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)吻合良好。

1、設(shè)計(jì)軟件原理

　　本文所采用的兩種主要計(jì)算軟件中, EGUN 美國(guó)SLAC 編寫(xiě)的一款電子光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算軟件,在目前速調(diào)管電子槍的設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的使用和不斷優(yōu)化,其計(jì)算可靠性得到了廣泛認(rèn)同。EGUN 采用穩(wěn)態(tài)軌跡模擬算法,這種算法通過(guò)有限差分法,在給定邊界條件和外加靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)情況下,迭代求解強(qiáng)流電子光學(xué)基本方程組的自洽解。強(qiáng)流電子光學(xué)基本方程組為:

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5、電子光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試

　　100MW速調(diào)管的樣管制作及測(cè)試已經(jīng)完成,其電子槍組件及聚焦系統(tǒng)如圖11 所示。第一階段的主要目標(biāo)是檢驗(yàn)包括電子槍耐壓、導(dǎo)流系數(shù)以及電子注通過(guò)率在內(nèi)的電子光學(xué)系統(tǒng)性能。樣管輸出系統(tǒng)采用單間隙輸出腔,單個(gè)輸出窗。在下一階段樣管制作中將采用雙間隙諧振腔,雙端口輸出方式。電子槍采用了氧化物陰極。對(duì)電子槍進(jìn)行了熱膨脹實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)表明在陰極工作溫度下,電子槍軸向膨脹約2mm ,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)際制管中適度增大了陰陽(yáng)極間距離。

圖11 　電子槍組件及聚焦系統(tǒng)　　圖12 　樣管及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

　　樣管測(cè)試工作在中科院電子所新建測(cè)試平臺(tái)上完成(見(jiàn)圖12) ,電子注通過(guò)率采用傳統(tǒng)測(cè)試方法,其測(cè)試原理見(jiàn)參考真空技術(shù)網(wǎng)另文。速調(diào)管高頻互作用區(qū)與收集極間用絕緣陶瓷隔開(kāi),可對(duì)收集極電流單獨(dú)測(cè)試,收集極電流與總流比值即為電子注通過(guò)率。

　　電子槍工作電壓U 及總流I 由調(diào)制器面板讀得,然后由Per = I/U^3/2即可計(jì)算導(dǎo)流系數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明電子槍導(dǎo)流系數(shù)介于2.0 與2.1 之間,電子注直流通過(guò)率大于98 % ,電子光學(xué)系統(tǒng)性能達(dá)到了第一階段的研究目標(biāo)。

6、結(jié)束語(yǔ)

　　作為中科院電子所S 波段100MW 速調(diào)管研制計(jì)劃的第一階段目標(biāo),以強(qiáng)流電子光學(xué)理論為基礎(chǔ),借助穩(wěn)態(tài)算法程序及PIC 算法程序設(shè)計(jì)了該管的電子光學(xué)系統(tǒng),制作了束流樣管,測(cè)試結(jié)果表明電子槍、聚焦系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,為下一階段的研究奠定了基礎(chǔ)。