L波段相對(duì)論速調(diào)管輸入腔研究

1、3國(guó)家863激光技術(shù)領(lǐng)域資助項(xiàng)目1997年4月18日收到原稿,1997年8月26日收到修改稿。黃華,男,1970年11月出生,實(shí)研L 波段相對(duì)論速調(diào)管輸入腔研究黃華王平山甘延青陳洪斌王文斗雷方燕(中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所,成都527信箱55分箱,610003吳中發(fā)(北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所,北京8009信箱,100088摘要介紹L 波段強(qiáng)流相對(duì)論速調(diào)管放大器輸入腔的數(shù)值分析、新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試及其應(yīng)用等方面的情況,對(duì)輸入腔進(jìn)行了特別的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),解決了大耦合孔對(duì)諧振腔參數(shù)的不良影響,設(shè)計(jì)符合R KA 應(yīng)用的要求。均勻電子束經(jīng)過(guò)輸入腔后,得到了約6%的最大基波調(diào)制電流深度。關(guān)鍵

2、詞相對(duì)論速調(diào)管放大器輸入腔耦合孔注入器強(qiáng)流相對(duì)論速調(diào)管放大器(R KA 的研究包括電子束的產(chǎn)生、傳輸、高頻系統(tǒng)、束波互作用過(guò)程、高穩(wěn)定度微波種子源等方面的內(nèi)容。高頻系統(tǒng)是R KA 的核心、決定R KA 性能的關(guān)鍵部分,它包括了輸入腔(預(yù)調(diào)制腔、中間腔(群聚腔、輸出腔(微波提取腔三種腔。微波種子源從耦合孔注入輸入腔,在腔內(nèi)間隙形成駐波場(chǎng),對(duì)通過(guò)腔間隙的均勻電子束進(jìn)行速度調(diào)制,隨后電子束在漂移管后半部分進(jìn)行密度調(diào)制而群聚。為了高功率微波的輸出,注入R KA 的微波很大,達(dá)800k W ;同時(shí),強(qiáng)流相對(duì)論電子束(I R EB s 對(duì)腔體加載很重,為了使微波可靠、匹配注入輸入腔,腔體有載Q 值很低,要

3、求輸入腔開(kāi)大耦合孔,但諧振腔開(kāi)大耦合孔之后,對(duì)腔體的諧振頻率、場(chǎng)分布的對(duì)稱(chēng)性等參數(shù)帶來(lái)了不良影響1。經(jīng)過(guò)研究,我們消除了這些不良影響。同時(shí),我們對(duì)束流經(jīng)過(guò)輸入腔間隙后的調(diào)制情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),得到了較滿(mǎn)意的結(jié)果。1輸入腔的數(shù)值分析對(duì)于強(qiáng)流高功率R KA ,由于注入微波功率很大(達(dá)800k W ,諧振腔作用間隙建立的電場(chǎng)很強(qiáng),為了適當(dāng)降低作用間隙的場(chǎng)強(qiáng),防止R F 擊穿,同時(shí)要提高束波互作用效率,也滿(mǎn)足調(diào)諧方便的要求,我們采用了單重入式 4同軸諧振腔,結(jié)構(gòu)如圖1。腔體諧振頻率、特性阻抗和無(wú)載品質(zhì)因素的計(jì)算,可用集中參數(shù)2,3的方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析,也可用SU PER F ISH 和M A F I A

4、程序4進(jìn)行較精確的計(jì)算。外觀品質(zhì)因素的選擇,要保證輸入R KA 的高頻能量全部被電子束和諧振腔所吸收,即保證諧振腔與外負(fù)載匹配。輸入腔等效電路如圖2(包括束流負(fù)載,根據(jù)匹配條件,要求1 Q ex =1 Q 0+1 Q e(1式中Q ex =1 (G L (R Q 為外觀品質(zhì)因素;Q 0=1 (G 0(R Q 為無(wú)載品質(zhì)因素;Q e =1(G e (R Q 為電子有載品質(zhì)因素。在強(qiáng)流R KA 中,Q e 的理論分析和數(shù)值計(jì)算很重要,準(zhǔn)確計(jì)算也很難。這主要因?yàn)閺?qiáng)流R KA 具有以下特性:(1強(qiáng)直流空間電荷效應(yīng);(2束流自調(diào)制,和第9卷第4期強(qiáng)激光與粒子束V o l .9,N o .41997年11

5、月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S N ov .9,1997普通速調(diào)管有很大差別5。但對(duì)于輸入腔,由于束流調(diào)制較淺,高頻擾動(dòng)小,屬于小信號(hào)工作,在0.5T 的引導(dǎo)磁場(chǎng)作用下,電子作直線運(yùn)動(dòng),對(duì)于空心電子束可用運(yùn)動(dòng)學(xué)理論計(jì)算歸一化電子負(fù)載電導(dǎo)G e G 06。因此,輸入腔冷測(cè)有載品質(zhì)因素Q L C 為1 Q L C =1 Q ex +1 Q 0(2耦合系數(shù)(1時(shí)為=Q 0 Q L C -1(3根據(jù)上述公式,我們計(jì)算的一組參數(shù)為:當(dāng)電子束電壓V d =500kV 、束流I 0=4.5kV 、束流直徑<53mm 、厚度4.5mm 時(shí),束流

6、阻抗Z e =13618,Q L C =24.7,10。所以,輸入腔的有載Q 值很低,耦合系數(shù)很大 。F ig .1(a Inpu t cavity structu re of R KA(b Schem atic diagram of coup ler structu re圖1(a R KA 輸入腔結(jié)構(gòu),(b 耦合孔結(jié)構(gòu)F ig .2Equ ivalen t circu it of inpu t cavity 圖2輸入腔等效電路2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)測(cè)試2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于強(qiáng)流高功率R KA 的輸入腔,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求:(1滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的諧振頻率1300M H z 。由于大耦合孔對(duì)腔體諧振頻率有較大影響,

7、設(shè)計(jì)應(yīng)考慮調(diào)節(jié)余量;(2滿(mǎn)足腔體的有載Q 值;(3在作用間隙建立E 01模式的電場(chǎng)分布,抑制雜模;(4建立徑向、環(huán)向方向盡量對(duì)稱(chēng)、分布均勻的電場(chǎng);(5諧振頻率、耦合系數(shù)可調(diào);(6實(shí)驗(yàn)分析、調(diào)試、觀測(cè)方便。為此,我們采取了相應(yīng)的措施:(1選擇設(shè)計(jì)頻率為1400M H z ;(2在遠(yuǎn)離作用間隙的腔體端面對(duì)稱(chēng)開(kāi)環(huán)行耦合孔,一端接偏波導(dǎo),通過(guò)階梯波導(dǎo)過(guò)渡后與BJ -14標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)相接;另一端接可調(diào)短路活塞,調(diào)節(jié)腔的諧振頻率、耦合系數(shù)和間隙電場(chǎng)分布,結(jié)構(gòu)示意圖如圖1;(3腔體可拆卸,腔體分成腔與腔蓋兩部分。其實(shí),由于強(qiáng)束流對(duì)諧振腔的強(qiáng)加載效應(yīng),使得Q 0在某個(gè)值以上(如300時(shí),腔體損耗對(duì)諧振腔參數(shù)如間隙

8、電壓、腔體回路效率等不是決定因素,主要由束流負(fù)載決定。因此,腔體材料選用無(wú)磁不銹鋼,表面不鍍銅。這樣制作工藝和測(cè)試都很方便,同時(shí),腔體參數(shù)隨時(shí)間也較穩(wěn)定。2.2參數(shù)測(cè)試測(cè)試參數(shù)主要包括:諧振頻率f 0、冷測(cè)有載品質(zhì)因素Q L C 、耦合系數(shù)、特性阻抗R Q 、間隙軸向、徑向、環(huán)向方向的電場(chǎng)分布等。(1f 0、Q L C 的測(cè)量:用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀H P 8753C 測(cè)輸入腔的傳輸參數(shù)S 21,諧振腔在0.13GH z 內(nèi)掃頻的諧振曲線如圖3,有四個(gè)諧振峰。接著,測(cè)試四個(gè)諧振頻率的軸向場(chǎng)分布,測(cè)475強(qiáng)激光與粒子束第9卷試結(jié)果如圖4。由圖4可以確定,只有第一個(gè)諧振點(diǎn)為需要的模式,其他為雜模,可忽略

9、。隨后把掃頻范圍設(shè)置為10651560M H z ,由 S 21 曲線可直接讀出Q LC 。F ig .3W ide band resonan t cu rve ofinpu t -cavity圖3 輸入腔的寬帶諧振曲線F ig .4E lectric field of inpu t -cavity of differen t resonance frequency 圖4輸入腔各諧振頻率的電場(chǎng)分布(2的測(cè)量:當(dāng)1時(shí),=(駐波系數(shù)。因此,用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試輸入腔輸入波導(dǎo)端的反射參數(shù) S 11 ,便可由=(1+ S 11 (1- S 11 (4求得。改變短路活塞端面的位置,在相應(yīng)固定位置測(cè)試f 0、

10、Q L C 、。正如我們?cè)O(shè)計(jì)所考慮的,改變短路活塞的位置,可以調(diào)節(jié)腔的諧振頻率和耦合系數(shù),調(diào)節(jié)范圍:f 0為12401340M H z ,Q L C 為19.091,為1.1611.5。(3電場(chǎng)分布:根據(jù)諧振腔微擾理論7,用金屬小球在腔內(nèi)移動(dòng)時(shí),小球在相應(yīng)位置的電場(chǎng)分布與其在該位置引起的相移變化關(guān)系式為E j =-2W3Q L 0V tan j -tan j -j (j 很小時(shí)(5式中,j =j -0;V 為微擾體體積;W 為腔體的貯能。因此,測(cè)出輸入腔的S 21的相位j ,便可得到場(chǎng)強(qiáng)的分布情況。讓小球沿腔體徑向移動(dòng),測(cè)得輸入腔徑向電場(chǎng)分布;讓小球環(huán)向移動(dòng),測(cè)得輸入腔內(nèi)環(huán)向電場(chǎng)分布。改變短路

11、活塞的位置,再分別測(cè)試徑向電場(chǎng)和環(huán)向電場(chǎng),結(jié)果如圖5所示。正如我們?cè)O(shè)計(jì)所考慮的,改變短路活塞的位置,不但可以調(diào)節(jié)腔的諧振頻率和耦合系數(shù),還可以調(diào)節(jié)徑向和環(huán)向的電場(chǎng)分布,從而達(dá)到比較理想的結(jié)果:徑向電場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)性從18減小到6,環(huán)向電場(chǎng)不均勻性從36減小到8。3束流經(jīng)過(guò)輸入腔間隙后的調(diào)制3.1數(shù)值分析由無(wú)箔空心石墨陰極產(chǎn)生約500kV 、4.5kA 、<54.5mm ×4.5mm 的均勻電子束,在5.2×10-4T 的引導(dǎo)磁場(chǎng)作用下,在漂移管中傳輸。當(dāng)電子束經(jīng)過(guò)輸入腔間隙時(shí),受到間隙電壓為V 10exp j (t 的速度調(diào)制,隨后在漂移管中發(fā)生群聚,群聚電流4為I 1=j

12、 V 10Z sin (1,1=z 10(6575第4期黃華等:L 波段相對(duì)論速調(diào)管輸入腔研究式中,Z =m 0c 23020 eI 0,=(2+ 201 2 0,0=(1220-1 2,0=v 0 c ;=20 (20-,=I 0 (I s 300,I s =20m 0c 3e ln r w r b ;I 0為總束流;v 0為電子漂移速度;r w 為漂移管半徑;r b 為空心電子束半徑;z 1為電子束離開(kāi)輸入腔間隙中心的距離。數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖8 。F ig .5P rofile of radial (a and azi m u thal (b electric field圖5輸入腔徑向(a

13、和圓周方向(b 的電場(chǎng)分布。(1短路活塞位于164mm 處,(2短路活塞位于70mm 處F ig .6R eflect m icrow ave of inpu t -cavity (N o .384(top :reflect m icrow ave ,bo ttom :vo ltage 圖6 輸入腔的反射波形F ig .7Top ical modu lated cu rren t w ave 圖7輸入腔后束流調(diào)制波形3.2實(shí)驗(yàn)診斷由直線感應(yīng)加速器提供電子束源,由標(biāo)稱(chēng)值為500k W 的L 波段磁控管振蕩器提供微波源,通過(guò)一個(gè)雙定向耦合器后注入輸入腔。當(dāng)電子束未經(jīng)過(guò)輸入腔間隙時(shí),腔體的反射系數(shù)應(yīng)

14、為1,注入微波幾乎全被反射;當(dāng)電子束經(jīng)過(guò)輸入腔間隙時(shí),注入微波幾乎全被電子束和腔體吸收,微波反射很小,腔體的反射系數(shù)應(yīng)為0,實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)如圖6,可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論一致。均勻的電子束經(jīng)過(guò)輸入腔間隙駐波場(chǎng)的調(diào)制后,在隨后的漂移管中發(fā)生群聚,群聚電流的監(jiān)測(cè)由插入漂移管壁內(nèi)的磁探針完成,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8。和理論計(jì)算相比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏低一些,我們估計(jì)是因?yàn)閮烧邊?shù)不完全一致,理論計(jì)算也只是一個(gè)近似的計(jì)算。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以確定輸入腔后電子束的最佳群聚距離約31c m ,最大基波調(diào)制電流為270A ,調(diào)制深度約675強(qiáng)激光與粒子束第9卷F ig .8M odu lated cu rren t (I 1 I 0

15、vs ax ial distance圖8調(diào)制電流深度隨縱向距離的變化6%。在此位置,放置中間腔間隙。4結(jié)語(yǔ)我們研制出的輸入腔,解決了大耦合孔對(duì)輸入腔參數(shù)的不良影響,使注入微波比較好地被電子束吸收。電子束經(jīng)過(guò)輸入腔間隙后,獲得6%的最大基波調(diào)制電流深度,理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較一致。利用這種輸入腔的三腔R KA ,輸出微波達(dá)到536MW ,增益30dB ,效率21%。另外,實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),輸入腔的功率容量不夠高,當(dāng)注入微波功率大于600k W 時(shí),耦合孔處有R F 擊穿現(xiàn)象;同時(shí)腔與腔蓋用橡皮密封,電氣接觸不良,接觸處有燒蝕現(xiàn)象。因此,輸入腔的模擬和設(shè)計(jì)需進(jìn)一步優(yōu)化。致謝研究中得到了周傳明的關(guān)心,中科院電

16、子所彭鈞、高能所的鐘世才、金清壽和許州在腔體設(shè)計(jì)和測(cè)試中給予不少幫助,何琥、范植開(kāi)、龔海濤在腔體測(cè)試中也給予了幫助。在此,一并表示衷心的感謝!參考文獻(xiàn)1黃華,王平山.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),1997,26(42科瓦連科B .超高頻電子學(xué)引論.北京:科學(xué)技術(shù)出版社,1957:1163電子管設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì)編.大功率速調(diào)管設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1979.911134高鐵塔.強(qiáng)激光與粒子束,1992,4(4:5635735F riedm an M ,K rall J ,L au Y .Y ,et al .A pp l p hy s ,1988,64(7:335333796謝家麟,趙永祥.速調(diào)管

17、群聚理論.北京:科學(xué)技術(shù)出版社,19967顧茂章,張克潛.微波技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,1989.324333RESEARCH ON INPUT CAV IT Y OF L -BAND RELAT IV IST I CK LY STRON AM PL IF IERSH uanghua ,W ang P ingshan ,Gan yanqing ,Chen Hongb in ,W ang W endou ,L ei FangyanInstitu te of A pp lied E lectron ics ,CA E P ,P .O .B ox 527-55,610003,Cheng d u A

18、BSTRACT Si m u lati on s ,design s and experi m en ts of the inpu t cavity of an L -band in ten se relativistic k lystron amp lifier are described in th is paper .Influences of large coup ling ho les on the m icrow ave inpu t cavi 2ty param eters w h ich include resonan t frequency ,symm etry and un ifo rm ity of the electric field in the gap re 2gi on w ere o