L波段高功率多注速调管设计与模拟

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1、第21卷第4期强激光与粒子束Vo1．21，NO．42009年4月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSApr．，2009文章编号：1001—4322(2009)04—0521一O5L波段高功率多注速调管设计与模拟王勇，阮望，张瑞，谢敬新，丁耀根，刘濮鲲(1．中国科学院电子学研究所高功率微波源与技术重点实验室，北京100190；2．中国科学院研究生院，北京100039)摘要：开展了峰值功率1OMw、平均功率150kW的L波段多注速调管的研究工作。采用均匀场多透镜聚焦系统对多电子注进行聚焦，获得了具有良好层流性和波动性的旁轴多注电子光学系统；采用二次谐波腔

2、，对6个电子注、6个同轴谐振腔结构的速调管进行了注波互作用计算。结果表明，当电子注电压为115kV，电流为132A时，可获得大于1OMw的脉冲输出功率，大于65的输出效率和大于45dB的增益。关键词：高功率微波；多注速调管；电子光学系统；电子枪；注波互作用中图分类号：TN122文献标志码：AL波段10Mw多注速调管是一种新型的高功率微波源，可望在许多领域得到应用。例如，为研究物质的起源，科学家正在开展全球性的大科学合作，建造工作频率在L波段(1．3GHz)的国际直线对撞机(ILC，In—ternationalLinearCollider)，在该工程上将采用700余支峰值功率

3、10Mw、平均功率150kW的I波段多注速调管。此外，欧洲国家正在建造的与ILC类似的L波段硬x一射线自由电子激光工程和国内计划建设的硬x一射线自由电子激光工程，都将需要大量的L波段1OMw高功率多注速调管。目前，世界上只有美国的CPI、法国的Thales和日本的Toshiba／KEK三家机构在开展此类速调管的研究工作[1]。本文对L波段1OMw多注速调管进行了研究，重点对均匀场多透镜聚焦的电子光学系统、同轴腔高频系统、新型二次谐波腔注波互作用系统、高效率微波输出系统进行了设计和计算。l多注电子枪根据速调管设计参数(见表1)的要求，采用6注电子枪方案，单电子枪设计目标参数如

4、表2所示，其阴极负载在2．1A·cm左右，单个电子枪导流系数约为0．56A·V。多注电子阴极分布如图1所示，共6个阴极，各阴极具有独立的热子组件，阴极轴线距主轴60．0mm，阴极问夹角为6O。，对称地分布在一个圆周上。表1L波段10MW多注速调管设计参数Table1DesignparametersofL—band10MWMBK表2单电子枪设计目标参数Table2Objectdesignparametersofsingleelectrongun根据皮尔斯设计方法_7_8_，选取电子枪阴极半径为19．0mm。采用平板阳极，阳极孔半径为15．0mm，阴阳极间距为4O．0mm，聚焦

5、极头倒角半径为6．5mm。由于多注阴极是由多个完全相同的单个阴极构成，如图2所示。为简便起见，首先针对单个阴极进行2维电子枪无磁场时的设计和模拟，以确定电子枪静电参数。通过2维电子光学计算软件EGUN进行大量计算和调整，获得了一组合乎要求的电子枪结构尺寸，其具体参数如表3所示。由图3～5可见，电子注静电轨迹的层流性较好，阴极最大电流发射密度为2．1A·cm_。，中心电流发射密度为1．6A·cm，两者之比小于1．4，阴极电流发射均匀，各项参数达到了设计要求。*收稿日期：2008—10—17；修订日期：2008—10—31作者简介：王勇(1964一)，男，研究员，主要从事大功率

6、速调管的研究工作；wangyong3845@sina．com。522强激光与粒子束第21卷Fig．1SchematicofmultibeamcathodeFig．2Schematicof3Dmulti—beamelectrongun图l多注阴极拓扑结构图图2多注电子枪3维结构示意图表3电子枪计算结果Table3Calculatedresultsofelectrongun6O32皇4012OOOz／mmz／mmFig．32DelectrontrajectoryofbeamFig．4DistributionofcathodeemissionFig．53Delectrontraj

7、ectoryofmulti—beam图32维电子注静电轨迹currentdensity图53维多电子注静电轨迹图4阴极发射电流密度分布2聚焦系统为了有效地聚焦关于旁轴对称的电子注，我们采用了浸没流多透镜均匀磁场聚焦系统。在电子枪外，设置带有屏蔽板的反线包组件，通过合理设置屏蔽板结构，可以在整个电子枪区域产生轴向均匀磁场。这样做的目的，一方面可以增加电子注刚度，另一方面最大程度地避免了非对称横向场。此外，在过渡区设置了多个屏蔽板，屏蔽板间为聚焦线圈，改变线圈电流可对电子注进入主磁场区的入射状态进行控制，从而调整电子注