基于新工作机制的复合高性能速调管放大器机理研究

The rapid developments of large-scale scientific experiment devices and microwave electronic systems demand microwave sources with compound high performance. As a classic microwave vacuum tube, existing klystron’s working mechanism is difficult to support this trend. This project proposes a new type klystron, in which the multiple sector ring electron beams and coaxial beam-wave interaction system with cut-off beam drift tunnel are adopted. The new type klystron has many advantages: Multiple sector ring beams can provide large working current and at the same time decrease the space charge effect, and thus can significantly improve the efficiency. The coaxial cavity still has a large interaction section with a high frequency working mode, and thus can obtain high output power in ultra-high frequency condition. Cut-off beam channel can solve the problem of oscillation caused by the mode transmission. Its symmetrical structure facilitates the beam focusing and fabrication. This project will develop calculation codes, which are based on single particle model, cold-flow model, thin sector ring model and macro particle model, to analyze the electronic optical and beam-wave interaction system. Combined with computer simulation and cold test, mechanism study of the beam transmission and nonlinear beam-wave interaction characteristics for the sector ring beam klystron will be carried out. The shaping, compression and transmission mechanism of the sector ring beam will be studied, and the interaction efficiency, gain, bandwidth and stability will also be analyzed to get the practical physical model. Research works of this project will lay the solid theoretical and technical basis for the application of the device.

大型科学实验装置和微波电子系统的快速发展对具有复合高性能的微波源提出了需求。作为经典的微波电真空器件，速调管现有工作机制已难以支持这一发展趋势。本项目提出一种具有新工作机制的速调管，创新性地采用多个扇环形电子注和具有隔离栅截止通道的同轴腔注-波互作用系统，兼具诸多优点：扇环形多电子注能够在提供大工作电流的同时，显著降低空间电荷效应，有利于提高互作用效率；同轴谐振腔在频率较高时仍具有大的互作用截面，可在高频段获得高输出功率；截止通道可解决模式传输引起的震荡问题；圆形结构，便于束流聚焦和制管装配。本课题将开发基于单粒子、冷流、薄扇环及宏粒子模型的电子光学及注-波互作用计算程序，结合软件模拟和冷测实验，对扇环注速调管束流特性及非线性注-波互作用特性开展机理性研究，探索其电子注成形、压缩及传输机制，分析其互作用效率、增益、带宽特性及工作稳定性，得到实用化技术方案，为器件的工程化奠定理论和技术基础。

鉴于现有速调管工作机制已难以满足大型科学实验装置及微波电子系统对兼具高工作频率、高输出功率、高互作用效率的复合高性能微波源的需求，在深入研究不同速调管以及其他类型同轴腔真空电子器件工作原理的基础上，本项目提出扇环注速调管放大器，以突破传统速调管工作机制所固有的技术瓶颈。.对扇环形电子注的理论模型进行深入的理论研究，多个角向互相隔离的扇环形电子注由阴极发射成形，经聚束极和阳极形成的电场进行径向压缩，然后在聚焦磁场的约束下进入具有隔离栅的同轴结构漂移通道，在各自通道内传输。电子注进入互作用段后与同轴结构的谐振腔进行注-波相互作用，通过对电子速度调制实现密度调制，将电子注直流能量转换为微波能量，微波能量经由输出系统传至外部应用系统。.基于一维等效模型，采用KLY对L波段10MW速调管进行了充分的模拟计算，得到了输出功率与输入功率的关系曲线、输出功率与输入频率的关系曲线等。基于二维模拟软件MAGIC2D，分析了谐振腔的特性指标，建立了二维互作用模拟模型，通过计算获得了超过10MW的高频输出功率；通过参数扫描获得了输出功率与输入功率大小的关系，当输入功率为500W时，输出功率达到饱和，3dB带宽达到了12MHz。采用三维模拟软件CST建立了电子枪模型，详细描述了阴极、聚焦极、阳极和聚焦线包模型，计算获得了聚焦磁场的分布，三个扇环注在静电和聚焦磁场的作用下成形并稳定传输，传输距离超过1250mm，未出现电子截获。.该项目研究对环形电子注和扇环形电子注进行了理论研究和模拟研究，并建立了电子光学系统的计算模型、互作用一维和二维模型，模拟计算结果表明，扇环形电子注可以用于速调管的。该方案可以将同轴腔体隔离成多个扇环形谐振腔，避免了通道不截止带来的通道模式传输，减小了振荡发生的概率。