速調管電子回流現(xiàn)象研究及收集極設計

朱旭智，戴 巍，劉大剛

（電子科技技術大學 物理電子學院，四川 成都610054）

速調管電子回流現(xiàn)象研究及收集極設計

朱旭智，戴 巍，劉大剛

（電子科技技術大學 物理電子學院，四川 成都610054）

為了分析解決7腔23注相對論速調管模擬過程中出現(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(shù)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(nèi)表面緊貼電子運動軌跡時，回流減??；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(xiàn)象減弱。最后根據(jù)以上分析選擇適合的參數(shù)，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(wěn)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(xiàn)象。

速調管；電子回流；收集極；回流抑制

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(fā)展非常迅速，已廣泛應用于國防科研及民用發(fā)展中。但由于多注速調管中電子束流強度大，常常會引發(fā)收集極處電子回流現(xiàn)象，導致速調管工作不穩(wěn)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(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[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(shù)、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(xiàn)象。

1 速調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(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，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(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。

圖1 速調管整體結構圖

圖2 速調管中的空間電子分布圖

圖3 多注速調管輸出能量圖

2 電子回流現(xiàn)象原理分析

為了進一步研究電子回流產(chǎn)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(jīng)過輸出腔時，動能大量轉換成高頻微波能量，以實現(xiàn)信號的放大。經(jīng)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(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(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，反向運動到互作用區(qū)，在互作用區(qū)受到聚焦磁場作用，產(chǎn)生速度調制，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]。

圖4 輸出腔處電子相位圖

圖5 存在虛陰極時收集極處電子注發(fā)散圖

3 速調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鍵。本節(jié)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(lián)動解決電子回流現(xiàn)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(nèi)表面貼合電子運動軌跡，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：

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。

表1 不同斜率下，收集極電子回流量情況

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(jù)L的變化，觀察回流現(xiàn)象的變化發(fā)現(xiàn)，實驗得到當L=12 mm時，電子回流量最小。

圖6 輸出端及收集極剖面圖

最后，調整互作用段恒定的靜態(tài)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(fā)散。

圖7 互作用段聚集磁場圖

根據(jù)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(qū)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(xiàn)象（如圖11，圖12），獲得了穩(wěn)定的增益。

圖8 改良后的多注速調管結構圖

圖9 輸出微波功率包絡圖

圖10 輸出功率頻譜圖

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(chǎn)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(shù)對抑制回流現(xiàn)象的作用。

圖11 無回流下，電子Pz相位圖

圖12 無回流下，電子空間分布圖

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(wěn)定高頻信號，實現(xiàn)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。

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Study on electron returning phenomenon of klystron and design of collector

ZHU Xu?zhi，DAI Wei，LIU Da?gang
（School of Physical Electronics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

To eliminate electrons returning from collector of seven?cavity circuit for a 23?beam klystron，and analyze rea?sons of the phenomenon，the software CHIPIC is used to study the relationship of its parameters and electron returning quantity in the espacts of collector structure，distance of output cavity to collector and magnetic field intensity.It is found that，when the collector inlet and inner surface is closed to the electron beam motion trail，the returning electrons tend to decrease；when the length L between output cavity and collector is more than 12 mm，returning electrons reduce with the decrease of L；while L is 12 mm，electron returning quantity is minimum value；when L<12 mm，returning electrons increase.Along with Z direction starting from downstream of output cavity，magnetic field intensity decreases gradually，and the electron returning phenomenon turns weak.Finally，when choosing the suitable parameters（electron beam voltage is 28 kV，input signal power is 61 W，fre?quency is 5.6 GHz）to simulate shielded tube，the power of 346.5 kW，average efficiency of 28.8%and stable output signal of 37.54 dB are obtained，and there is no returning electrons.It prove that，in the precondition to ensure the gain and efficiency of output signal，the method can restrain electron returning phenomenon from collector successfully.

klystron；electron returning；collector；returning restrain

TN62?34

A

1004?373X（2015）04?0114?04

朱旭智（1986—），女，碩士。研究方向為電子與通信。

2014?08?18