回旋速調(diào)管是一類具有重要應(yīng)用前景的高功率、高效率和高增益相干毫米波源。本文簡要介紹了回旋速調(diào)管的結(jié)構(gòu)和工作原理，重點評述了回旋速調(diào)管注波互作用理論的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢，指出了發(fā)展中存在的一些問題，并提出了自己的建議，希望能對中國回旋速調(diào)管的發(fā)展起到一定的推動作用。

　　回旋速調(diào)管是回旋管家族中的一員，具有高功率、高效率、高增益和一定帶寬等特點，廣泛應(yīng)用于雷達、通信、電子對抗、等離子體加熱及材料處理等領(lǐng)域，在下一代直線對撞機、高梯度加速器中也有重要應(yīng)用前景，是實際系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一類回旋管放大器。

　　回旋速調(diào)管的早期研究和計算多是前蘇聯(lián)科學(xué)家開展的，主要致力于基本問題的解決與設(shè)計計算。早在1973 年，Demidovich 等開展了回旋速調(diào)管計算，其計算的三腔回旋速調(diào)管電子效率可達85% 。經(jīng)過30 多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了相對完善的回旋速調(diào)管線性理論與非線性理論。此外，粒子模擬理論也逐漸應(yīng)用于回旋速調(diào)管等真空器件的注波互作用模擬。回旋速調(diào)管的數(shù)值模擬已經(jīng)成為與解析理論、實驗方法相并列的第三種科學(xué)研究手段，對提高器件設(shè)計能力，縮短開發(fā)周期，減少整管硬件實驗,改善性能等方面起到極其重要的作用。

　　本文在簡要介紹回旋速調(diào)管的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，對描述回旋速調(diào)管注波互作用過程的線性理論、非線性理論以及粒子模擬進行了綜述，分析了各種理論模型的優(yōu)點與局限，指出了應(yīng)用與發(fā)展中存在的一些問題以及可能的解決方案。希望本文能對回旋速調(diào)管的發(fā)展起到一定的促進作用。

1、回旋速調(diào)管的結(jié)構(gòu)與工作原理

　　回旋速調(diào)管是回旋管家族中的一員，由電子槍、輸入耦合器、互作用回路、磁場系統(tǒng)、收集極、輸出窗等部件構(gòu)成，其互作用回路與多腔速調(diào)管類似，由兩個或多個分離的諧振腔通過電子漂移管連接而成。圖1 給出了一個典型的四腔回旋速調(diào)管互作用電路的示意圖。

圖1 典型的四腔回旋速調(diào)管互作用電路示意圖

3、主要問題與發(fā)展趨勢

　　回旋速調(diào)管各種注波互作用理論模型各有自身的優(yōu)勢與局限，因而也就有各自的最佳適用范圍。線性理論簡單、直觀，有利于理解器件的工作原理與進行器件的初始設(shè)計。非線性理論比較真實地反映器件的非線性互作用過程，有利于預(yù)測器件的電子效率、輸出功率等性能。粒子模擬則可以真實記錄電磁場與帶電粒子的自洽互作用過程，能分析許多復(fù)雜的、不甚明了的物理問題與物理現(xiàn)象。但是，粒子模擬屬于純數(shù)值模擬技術(shù)，對計算機的要求比較高，計算消耗大量內(nèi)存，模擬時間長。一般來說，一個器件從初始設(shè)計到最終成功，各種理論模型和方法都需要用到，這就要求掌握并靈活運用各種理論模型與技術(shù)。

　　經(jīng)過多年的發(fā)展，中國在回旋速調(diào)管理論研究方面取得了一定進展，但在研究和發(fā)展過程中還存在一些問題。這些問題主要包括:

　　(1) 成果分散，重復(fù)勞動較多隨著計算機模擬成為一種科學(xué)研究的重要手段，大批科研人員從事數(shù)值模擬研究，取得了大量科研成果。但是，這些成果大多是分散的、階段性的，沒有形成完整、系統(tǒng)的實用程序，很多成果甚至被束之高閣。

　　(2) 理論模型的精度與效率有待提高目前，國內(nèi)發(fā)展的回旋速調(diào)管注波互作用理論模型多采用一定的近似，如高頻場分布采用冷腔場分布，忽略空間電荷力，漂移管內(nèi)不存在電磁場等，其精度與效率相比國外最先進的注波互作用理論模型有進一步提升的空間。

　　(3) 程序的系統(tǒng)化與實用化程度低國內(nèi)相關(guān)單位，如中科院電子所、中電科技集團12 所、電子科技大學(xué)等，都開發(fā)了回旋速調(diào)管的數(shù)值計算程序。這些程序多局限于內(nèi)部人員使用，系統(tǒng)化與實用化程度非常低。相比之下，國外非常注重程序的系統(tǒng)化與實用化。美國、俄羅斯、日本等都有成套的數(shù)值模擬程序，有些作為商品在全世界銷售。如俄羅斯的速調(diào)管模擬軟件Arsenal，美國的粒子模擬軟件MAGIC 等。

　　針對以上的問題，建議加強以下幾個方面的研究工作。

　　(1) 加強精確效回旋速調(diào)管注波互作用理論的研究和代碼的開發(fā)對回旋速調(diào)管進行初始設(shè)計以及多種不同設(shè)計方案的模擬與優(yōu)化時，采用一定近似的線性理論與非線性理論具有獨特的優(yōu)勢。建議加強更加精確高效注波互作用理論模型的研究和代碼的開發(fā)。在理論模型精度上，可以利用廣義電報方程計算回旋速調(diào)管整個互作用區(qū)內(nèi)的電磁場，避免逐腔計算、漂移管近似以及冷腔近似可能引入的誤差。在理論模型的計算效率上，尤其對場幅度與場分布隨注波互作用自洽演變的理論模型( 如MAGY)而言，穩(wěn)定且高效的場計算與更新算法尤其重要。

　　此外，如何準確且高效地獲得粒子在任意位置所感受到的場也有重要的研究價值。這些內(nèi)容直接關(guān)系到理論模型的精度與代碼的執(zhí)行效率。

　　(2) 加強三維電磁粒子模擬程序的開發(fā)與推廣應(yīng)用采用全三維粒子模擬軟件模擬器件的注波互作用過程，要求計算機容量大，且運算時間長。但是,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與并行算法的開發(fā)，采用GPU 加速以及引入新的高效算法，有望克服這些局限。建議加強三維電磁粒子模擬程序的開發(fā)與應(yīng)用，最大限度發(fā)揮其優(yōu)勢，對器件內(nèi)部復(fù)雜物理問題進行研究。注波互作用計算可以在大信號理論模型與三維粒子模擬方法之間進行平衡分析。大信號理論代碼可以作為日常設(shè)計工具，對器件進行初始設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計。PIC 粒子模擬則可以用來對器件的最終性能進行確定性分析。利用兩者各自的優(yōu)勢，最終高效完成器件的設(shè)計、優(yōu)化與性能分析。

　　(3) 模擬程序的系統(tǒng)化與實用化回旋速調(diào)管模擬計算的系統(tǒng)化與實用化可以借鑒行波管方面的工作。美國通過MMACE 計劃創(chuàng)建了微波電真空器件CAD 系統(tǒng)，集成了電子槍、磁場、注波互作用等各類軟件，為提高功率行波管的設(shè)計能力，新管型的開發(fā)與測試提供了有力的支撐。中國開發(fā)了/ 寬帶大功率行波管CAD 集成環(huán)境0，實現(xiàn)了電子從陰極發(fā)射,與高頻場互作用直至被降壓收集極捕獲全過程的二維模擬與可視化。在此基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了全三維的微波管模擬套裝MTSS。這些開發(fā)平臺在國內(nèi)各制管單位得到推廣應(yīng)用，極大促進了中國行波管設(shè)計水平的提高。

　　對于回旋速調(diào)管的模擬計算，只要在系統(tǒng)化、實用化方面多一些統(tǒng)一安排和部署，避免科研成果的閑置和低水平的重復(fù)勞動，精心組織，一定會研究出高水平的計算機模擬程序。

4、結(jié)束語

　　本文介紹了回旋速調(diào)管的結(jié)構(gòu)和工作原理，評述了其注波互作用理論的發(fā)展概況和趨勢，討論了理論發(fā)展中存在的一些問題，并建議加強精確高效回旋速調(diào)管注波互作用理論模型的研究與代碼的開發(fā)，在系統(tǒng)化、實用化方面多一些統(tǒng)一安排和部署,避免科研成果的閑置和大量的重復(fù)勞動，以提高我國在計算機數(shù)值模擬方面的整體研究水平。