速調管電子回流現象研究及收集極設計

摘 要： 為了分析解決7腔23注相對論速調管模擬過程中出現的收集極電子回流現象，解析該現象產生的物理原因，這里利用CHIPIC軟件從收集極結構、輸出腔距離收集極長度、聚集磁場強度三個方面研究其參數與電子回流量的關系。通過多次模擬實驗得到以下結論：收集極入口處及其內表面緊貼電子運動軌跡時，回流減小；輸出腔距離收集極長度L>12 mm時，回流隨L減小而減小，L=12 mm時， 回流量達到最小值，L<12 mm后，回流又逐漸增加；從輸出腔下游開始沿z向逐步降低聚集磁場強度，回流現象減弱。最后根據以上分析選擇適合的參數，對整管進行模擬，電子注電壓為28 kV，總電流43 A，輸入信號功率61 W，頻率5.6 GHz，獲得功率為346.5 kW，平均效率約28.8%，增益37.54 dB的穩定輸出信號，且無反射電子回流。證明在保證輸出信號增益與效率的前提下，該方法成功抑制了速調管收集極回流現象。

關鍵詞： 速調管； 電子回流； 收集極； 回流抑制

中圖分類號： TN62?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0114?04

0 引 言

多注速調管是一種高功率、高效率、高增益的微波功率放大器件。近年來，其發展非常迅速，已廣泛應用于國防科研及民用發展中。但由于多注速調管中電子束流強度大，常常會引發收集極處電子回流現象，導致速調管工作不穩定[1]。電子回流原因有兩點，一是二次電子或者電子碰撞管壁形成反射電子回流進互作用區[2]；二是大量低能電子存在于收集極入口處，電子發散較慢或者空間電位下降，形成虛陰極引起回流[3]。文獻[2]通過縮短輸出腔間隙來減小回流，文獻[3]通過改變收集極長度來抑制回流。實驗證明，減小輸出腔長度會降低輸出功率；改變收集極長度能減小回流，但不能完全消除回流。本文研究由虛陰極引起的電子回流，并且利用仿真軟件CHIPIC進行模擬，通過改變收集極結構參數、調整外加磁場，在輸出增益不減的條件下，有效抑制了多注速調管收集極電子回流現象。

1 速調管收集極電子回流現象的出現與影響

為了研究電子回流現象及其原因，對一個7腔，23注C波段速調管（見圖1）進行整管模擬，整個模擬時間為30 ns。模擬過程中，收集極入口處出現了電子大量群聚、回流的現象。如圖2（b）所示，輸出腔位于z軸145～154 mm間，收集極入口位于166 mm處。電子注電壓28 kV，總電流43 A，輸入頻率為5.6 GHz的信號，在超過6 ns后，電子在收集極入口處大量群聚（見圖2（b）），168 ms處動量突降至趨于0（見圖2（a）），動量Pz小于0的部分電子從收集極入口以震蕩形式沿-z方向移動，最終到達發射端。圖2（b）中間通道內的電子注即部分回流電子。從輸出能量圖可以看出，能量輸出趨于0（見圖3（a）），輸出頻譜含高次模（見圖3（b）），該速調管已不能正常工作。

2 電子回流現象原理分析

為了進一步研究電子回流產生原理，在圖1基礎上分段觀察電子在輸出腔到收集極入口處運動情況（見圖4）。電子經過輸出腔時，動能大量轉換成高頻微波能量，以實現信號的放大。經過前6個諧振腔的速度調制，電子已分為快電子和慢電子[4]。在輸出腔高頻激勵下，大量快慢電子被耦合出動能成為低能電子，導致等效電子注電壓降低[2]，出現虛陰極現象。速度趨于0的低能電子與更多電子聚合，在收集極入口處進一步群聚（見圖4），使得電子密度增加，空間電荷力強度增大。同時，原作用于高頻互作用段的聚焦磁場[6]在收集極入口處突降為0，使得收集極處的電子瞬間失去磁場力來克服空間電荷力，加大了電子在收集極入口處的無序發散和相互碰撞，從圖2（a）中存在大量Pz<0的電子可知，部分電子在空間電荷力作用下產生-z方向速度矢量，反向運動到互作用區，在互作用區受到聚焦磁場作用，產生速度調制，回流到陰極發射端，這就是由于存在大量低能電子[5]，收集極入口處電子注電壓降低和電子無法快速發散產生虛陰極，引起回流的原因。其次，收集極入口處結構的突變，也加劇了空間電位下降形成虛陰極[4]，導致電子返流（見圖5）[3]。

3 速調管電子回流抑制方案研究

從回流現象的原理分析中可以看出，降低收集極入口處電勢突降，減小電子空間電荷力，使電子在收集極入口處快速有序地發散是解決電子回流的關鍵。本節分別從改變收集極結構、調整收集極離輸出腔間距、選取適合的聚焦磁場三方面聯動解決電子回流現象。

首先，由于電子在收集極的運動軌跡呈弧型散開狀（見圖5），收集極入口處采用瓶頸式結構有助于減緩電勢突降的影響[6]，收集極內表面貼合電子運動軌跡，能有效迅速地吸收發散的電子。令收集極內表面坡度斜率為：

[K=LyLz]

實驗得到不同斜率下，電子回流程度不同，見表1。從表1中可知選取坡度效率為0.146的收集極結構最合適。

其次，改變收集極離輸出腔距離。令L為輸出腔中點至收集極入口處距離（見圖6）。根據L的變化，觀察回流現象的變化發現，實驗得到當L=12 mm時，電子回流量最小。

最后，調整互作用段恒定的靜態聚焦磁場，在輸出腔到收集極入口處呈拋物線型降低（見圖7），逐步減小該段電子注受磁場力的作用，便于電子有序地發散。

根據上述3種方法，設計了一款長度168 ms，最大半徑25.5 ms，入口處半徑14.5 ms并呈頸瓶式結構的收集極，該收集極入口距輸出腔12 ms。輸出腔下游段的互作用區半徑13.9 ms。從150 ms到162 ms，磁場從0.3 T逐漸減少到0 T。對整管（見圖8）進行模擬，電子注電壓為28 kV，電子注電流43 A，在頻率5.6 GHz、功率50 W的輸入信號激勵下，輸出平均功率346.5 kW，平均效率約為28.8%，增益38.4 dB的高頻信號（如圖9，圖10所示），有效地抑制了回流現象（如圖11，圖12），獲得了穩定的增益。

4 結 論

本文利用CHIPIC軟件模擬7腔23注速調管，觀察了電子回流過程中電子動量、空間相位等變化，驗證了低能電子、虛陰極的產生導致電子回流的理論，分析了速調管收集極結構，輸出腔距收集極長度及聚集磁場參數對抑制回流現象的作用。

最后，采用內表面斜率為0.146，距離輸出腔12 ms，入口為瓶頸式的收集極結構，電壓28 kV，總電流43 A的電子注在輸入頻率為5.6 GHz，輸入功率61 W的信號激勵下，獲得輸出功率為346.5 kW，平均效率約為28.8%，增益37.54 dB的穩定高頻信號，實現了信號的放大，并且多余電子在收集極被吸收。進一步加深了對速調管工作原理的認識，加強了解決問題的能力。

參考文獻

[1] 陳永東，謝鴻全，李正紅，等.電子回流相對論速調管穩定工作的影響[J].強激光與粒子束，2013，25（7）：1770?1774.

[2] 丁耀根.大功率速調管設計制造和應用[M].北京：國防工業出版社，2010.

[3] FANG Zhi?gao， FUKUDA S， YAMAGUCHI S， et al. Simulation of returning electrons from a klystron collector [J]. Physics， 2000，2： 1?3.

[4] NGUYEN K T， ABE D K， PERSHING D E， et al. High?power four?cavity s?band multiple?beam klystron design [J]. IEEE Transactions on Plasma Science， 2004， 32（3）： 111?120.

[5] ROYBAL W T， CARLSTEN B E， TALLERICO P J. Dynamics of retrograde electrons returning from the output cavity in klystrons [J]. IEEE Transactions on Electron Devices， 2006， 53（8）： 10?17.

[6] 周祖圣，田雙敏，董東.高功率速調管聚焦磁場設計研究[J].強激光與粒子束，2006，18（8）：1337?1340.

[7] 金華松，劉斯亮，邱冬冬.UCB速調管調諧方法研究[J].現代電子技術，2012，35（21）：73?75.