摘 要： 為了分析解決7腔23注相對(duì)論速調(diào)管模擬過(guò)程中出現(xiàn)的收集極電子回流現(xiàn)象，解析該現(xiàn)象產(chǎn)生的物理原因，這里利用CHIPIC軟件從收集極結(jié)構(gòu)、輸出腔距離收集極長(zhǎng)度、聚集磁場(chǎng)強(qiáng)度三個(gè)方面研究其參數(shù)與電子回流量的關(guān)系。通過(guò)多次模擬實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：收集極入口處及其內(nèi)表面緊貼電子運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，回流減小；輸出腔距離收集極長(zhǎng)度L>12 mm時(shí)，回流隨L減小而減小，L=12 mm時(shí)， 回流量達(dá)到最小值，L<12 mm后，回流又逐漸增加；從輸出腔下游開(kāi)始沿z向逐步降低聚集磁場(chǎng)強(qiáng)度，回流現(xiàn)象減弱。最后根據(jù)以上分析選擇適合的參數(shù)，對(duì)整管進(jìn)行模擬，電子注電壓為28 kV，總電流43 A，輸入信號(hào)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(wěn)定輸出信號(hào)，且無(wú)反射電子回流。證明在保證輸出信號(hào)增益與效率的前提下，該方法成功抑制了速調(diào)管收集極回流現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞： 速調(diào)管； 電子回流； 收集極； 回流抑制

中圖分類號(hào)： TN62?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）04?0114?04

0 引 言

多注速調(diào)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(lái)，其發(fā)展非常迅速，已廣泛應(yīng)用于國(guó)防科研及民用發(fā)展中。但由于多注速調(diào)管中電子束流強(qiáng)度大，常常會(huì)引發(fā)收集極處電子回流現(xiàn)象，導(dǎo)致速調(diào)管工作不穩(wěn)定[1]。電子回流原因有兩點(diǎn)，一是二次電子或者電子碰撞管壁形成反射電子回流進(jìn)互作用區(qū)[2]；二是大量低能電子存在于收集極入口處，電子發(fā)散較慢或者空間電位下降，形成虛陰極引起回流[3]。文獻(xiàn)[2]通過(guò)縮短輸出腔間隙來(lái)減小回流，文獻(xiàn)[3]通過(guò)改變收集極長(zhǎng)度來(lái)抑制回流。實(shí)驗(yàn)證明，減小輸出腔長(zhǎng)度會(huì)降低輸出功率；改變收集極長(zhǎng)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(jìn)行模擬，通過(guò)改變收集極結(jié)構(gòu)參數(shù)、調(diào)整外加磁場(chǎng)，在輸出增益不減的條件下，有效抑制了多注速調(diào)管收集極電子回流現(xiàn)象。

1 速調(diào)管收集極電子回流現(xiàn)象的出現(xiàn)與影響

為了研究電子回流現(xiàn)象及其原因，對(duì)一個(gè)7腔，23注C波段速調(diào)管（見(jiàn)圖1）進(jìn)行整管模擬，整個(gè)模擬時(shí)間為30 ns。模擬過(guò)程中，收集極入口處出現(xiàn)了電子大量群聚、回流的現(xiàn)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(hào)，在超過(guò)6 ns后，電子在收集極入口處大量群聚（見(jiàn)圖2（b）），168 ms處動(dòng)量突降至趨于0（見(jiàn)圖2（a）），動(dòng)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(dòng)，最終到達(dá)發(fā)射端。圖2（b）中間通道內(nèi)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(jiàn)圖3（a）），輸出頻譜含高次模（見(jiàn)圖3（b）），該速調(diào)管已不能正常工作。

2 電子回流現(xiàn)象原理分析

為了進(jìn)一步研究電子回流產(chǎn)生原理，在圖1基礎(chǔ)上分段觀察電子在輸出腔到收集極入口處運(yùn)動(dòng)情況（見(jiàn)圖4）。電子經(jīng)過(guò)輸出腔時(shí)，動(dòng)能大量轉(zhuǎn)換成高頻微波能量，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大。經(jīng)過(guò)前6個(gè)諧振腔的速度調(diào)制，電子已分為快電子和慢電子[4]。在輸出腔高頻激勵(lì)下，大量快慢電子被耦合出動(dòng)能成為低能電子，導(dǎo)致等效電子注電壓降低[2]，出現(xiàn)虛陰極現(xiàn)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(jìn)一步群聚（見(jiàn)圖4），使得電子密度增加，空間電荷力強(qiáng)度增大。同時(shí)，原作用于高頻互作用段的聚焦磁場(chǎng)[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(chǎng)力來(lái)克服空間電荷力，加大了電子在收集極入口處的無(wú)序發(fā)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(chǎn)生-z方向速度矢量，反向運(yùn)動(dòng)到互作用區(qū)，在互作用區(qū)受到聚焦磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生速度調(diào)制，回流到陰極發(fā)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(wú)法快速發(fā)散產(chǎn)生虛陰極，引起回流的原因。其次，收集極入口處結(jié)構(gòu)的突變，也加劇了空間電位下降形成虛陰極[4]，導(dǎo)致電子返流（見(jiàn)圖5）[3]。

3 速調(diào)管電子回流抑制方案研究

從回流現(xiàn)象的原理分析中可以看出，降低收集極入口處電勢(shì)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(fā)散是解決電子回流的關(guān)鍵。本節(jié)分別從改變收集極結(jié)構(gòu)、調(diào)整收集極離輸出腔間距、選取適合的聚焦磁場(chǎng)三方面聯(lián)動(dòng)解決電子回流現(xiàn)象。

首先，由于電子在收集極的運(yùn)動(dòng)軌跡呈弧型散開(kāi)狀（見(jiàn)圖5），收集極入口處采用瓶頸式結(jié)構(gòu)有助于減緩電勢(shì)突降的影響[6]，收集極內(nèi)表面貼合電子運(yùn)動(dòng)軌跡，能有效迅速地吸收發(fā)散的電子。令收集極內(nèi)表面坡度斜率為：

[K=LyLz]

實(shí)驗(yàn)得到不同斜率下，電子回流程度不同，見(jiàn)表1。從表1中可知選取坡度效率為0.146的收集極結(jié)構(gòu)最合適。

其次，改變收集極離輸出腔距離。令L為輸出腔中點(diǎn)至收集極入口處距離（見(jiàn)圖6）。根據(jù)L的變化，觀察回流現(xiàn)象的變化發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)得到當(dāng)L=12 mm時(shí)，電子回流量最小。

最后，調(diào)整互作用段恒定的靜態(tài)聚焦磁場(chǎng)，在輸出腔到收集極入口處呈拋物線型降低（見(jiàn)圖7），逐步減小該段電子注受磁場(chǎng)力的作用，便于電子有序地發(fā)散。

根據(jù)上述3種方法，設(shè)計(jì)了一款長(zhǎng)度168 ms，最大半徑25.5 ms，入口處半徑14.5 ms并呈頸瓶式結(jié)構(gòu)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(qū)半徑13.9 ms。從150 ms到162 ms，磁場(chǎng)從0.3 T逐漸減少到0 T。對(duì)整管（見(jiàn)圖8）進(jìn)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(hào)激勵(lì)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(hào)（如圖9，圖10所示），有效地抑制了回流現(xiàn)象（如圖11，圖12），獲得了穩(wěn)定的增益。

4 結(jié) 論

本文利用CHIPIC軟件模擬7腔23注速調(diào)管，觀察了電子回流過(guò)程中電子動(dòng)量、空間相位等變化，驗(yàn)證了低能電子、虛陰極的產(chǎn)生導(dǎo)致電子回流的理論，分析了速調(diào)管收集極結(jié)構(gòu)，輸出腔距收集極長(zhǎng)度及聚集磁場(chǎng)參數(shù)對(duì)抑制回流現(xiàn)象的作用。

最后，采用內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(hào)激勵(lì)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(wěn)定高頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的放大，并且多余電子在收集極被吸收。進(jìn)一步加深了對(duì)速調(diào)管工作原理的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)了解決問(wèn)題的能力。

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