潘尼管是利用電子在高頻結構中的位置選擇機制實現注波凈能量交換的回旋器件,具有高效率與低磁場的顯著特點。本文在簡述其基本原理的基礎上,研究了其設計理論與方法,進行了相應的數值計算,設計了一只8 mm波段三次回旋諧波潘尼管:采用4開槽漸變到圓波導的開放式諧振腔高頻結構,2π工作模式,束電壓43.5 kV,束電流1.45 A,最后采用3D-PIC模擬軟件進行驗證、優化。模擬結果顯示,該器件可獲得37.8 kW平均輸出功率,器件效率可達到60%,展示了其作為高效永磁包裝器件的良好應用前景。

　　近年來, 毫米波與亞毫米波在雷達、通信、電子戰、波束武器與新能源研發等多個領域獲得了越來越廣泛的應用, 迫切需要一類新型的毫米波、亞毫米波源[ 1] : 一方面, 要求它的功率比常規的返波管、分布互作用腔速調管(EIO, EIA) 等大得多; 另一方面, 又要求其體積、重量、電壓, 尤其是所需的磁場和工作準備時間比普通的回旋管小, 以便適應多種實際應用的要求。具有永磁包裝前景的高次回旋諧波器件因滿足這一要求而受到廣泛的關注, 其中潘尼管是最重要的候選者之一[ 2- 3] 。

　　潘尼管的概念最早是在1962 年由日本的S. Ono,K. Yamanouchi 等[ 4- 7] 提出, 經過多年研究, 先后經歷了雙對脊波導高頻結構, 無脊弓的方、圓波導諧振腔高頻結構, 類磁控管的高頻結構( 包括槽形結構和旭日結構) 。特別是類磁控管型高頻結構的引入,不僅使潘尼管具有較好的模式隔離度、較大的工作帶寬, 而且縮小了電子繞軸運動的回旋半徑, 可以在較低的束電壓下工作, 還提高了注波互作用強度, 大大促進了潘尼管的發展。1999 年Tohoku 大學研制出的磁控管型潘尼管, 采用縱向突變的能量耦合結構, 工作在2􀀁模式, 其中3 次諧波潘尼管的器件效率達39%, 10 次諧波的電子效率也高達6% , 顯示了潘尼管十分誘人的應用前景。美國的UCD 實驗室有一個持續多年的潘尼管研究計劃, 目標是在8 mm波段獲得25~ 100 kW 的輸出功率[ 9- 15] 。國內也早有學者對潘尼管進行過理論研究與綜合評述, 但迄今為止尚未見到詳細、系統的研究工作報道[ 16- 17] 。

　　在國家自然科學基金的資助下, 本文開展了潘尼管的理論與粒子模擬研究, 首先簡述了潘尼管的基本原理的; 然后研究了其設計理論與方法, 并具體設計了一支工作于8mm 波段三次諧波回旋潘尼管,特別是采用4 開槽漸變到圓波導的開放式諧振腔,與文獻[ 8] 相比, 大大地提高了器件效率; 最后利用D􀀁PIC 模擬軟件對理論設計參數進行驗證與優化,在2􀀁工作模式, 束電壓43􀀂5 kV, 束電流1􀀂45A 的情況下, 其平均輸出功率不小于37􀀂8 kW, 為進一步實驗研究打下了良好基礎。

4、 結論

　　本文簡述了潘尼管的基本原理, 研究了其設計中開槽波導色散特性、開放式諧振腔設計、模式競爭等關鍵問題, 編制了相應的計算程序, 并設計了一只8mm 波段三次諧波潘尼管。繼而用3D􀀁PIC 模擬軟件進行了驗證與優化, 給出了其內部粒子分布與能量變化過程的描述。模擬還給出了器件的主要性能: 所得工作模式與頻率與理論設計一致, 器件效率達60% , 輸出功率達37􀀂8 kW, 而工作磁場僅0􀀂396T, 顯示了這種器件發展為高效永磁包裝毫米波器件的巨大潛力。下一步我們將在此基礎上開展實驗研究。