百兆瓦級高功率速調管電子光學系統的研究

2010-02-05 張瑞中國科學院高功率微波源與技術重點實驗室

　　基于強流電子光學理論確定了S 波段100MW速調管電子槍初始參數,對電子槍電極進行優化,獲得了導流系數2.0μA·V^-3/2 、槍內場強低于22kV·mm^-1 、層流性良好的電子槍。設計了均勻磁場電子注聚焦系統,通過對過渡區磁場的調整,實現了對電子注的良好聚焦,模擬表明電子注填充因子約76% ,通過率100%且波動較小。樣管的熱測實驗結果與設計取得了良好的一致性。

　　高峰值功率速調管作為經典的微波電真空器件,在現代高能粒子加速器等大型科研設備以及超遠程雷達、高功率定向能微波武器等領域都有著重要的應用價值。在過去的幾十年間,世界上許多國家的科研機構對高功率速調管進行了大量的研究工作,在S 波段,美國SLAC 研制了65MW和150MW速調管,日本Thoshiba 研制出了100MW 速調管,法國Thales 研制了45MW 速調管。在國內,4404 廠研制了30MW速調管,中國科學院高能物理研究所研制了S 波段45MW速調管 ,中國科學院電子學研究所在2005 年研制出了S 波段50MW 高峰值功率速調管 ,目前正開展S 波段100MW速調管的研究工作。

　　電子光學系統為速調管提供直流-高頻換能介質,是速調管的關鍵組件,其設計質量對整管性能起決定性影響。高峰值功率速調管具有高工作電壓,大工作電流,這給設計帶來了一定的困難:首先,高電壓下電子槍的耐壓問題更為突出;其次,低陰極負載、陰極發射均勻度及大電子注壓縮比同時得到保證具有一定難度;最后,高電流密度電子注具有強空間電荷力,獲得層流性好、波動小的聚焦電子注較為困難。

　　本文以強流電子光學理論為基礎,采用基于穩態算法的EGUN及基于PIC 粒子模擬算法的軟件為計算工具,對S 波段100MW速調管電子光學系統進行了設計,獲得了各項參數滿足要求和聚焦效果良好的電子注,樣管的熱測實驗結果與設計吻合良好。

1、設計軟件原理

　　本文所采用的兩種主要計算軟件中, EGUN 美國SLAC 編寫的一款電子光學系統計算軟件,在目前速調管電子槍的設計中應用最為廣泛。經過數十年的使用和不斷優化,其計算可靠性得到了廣泛認同。EGUN 采用穩態軌跡模擬算法,這種算法通過有限差分法,在給定邊界條件和外加靜電場、靜磁場情況下,迭代求解強流電子光學基本方程組的自洽解。強流電子光學基本方程組為:

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5、電子光學系統的測試

　　100MW速調管的樣管制作及測試已經完成,其電子槍組件及聚焦系統如圖11 所示。第一階段的主要目標是檢驗包括電子槍耐壓、導流系數以及電子注通過率在內的電子光學系統性能。樣管輸出系統采用單間隙輸出腔,單個輸出窗。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。對電子槍進行了熱膨脹實驗,實驗表明在陰極工作溫度下,電子槍軸向膨脹約2mm ,根據實驗結果在實際制管中適度增大了陰陽極間距離。