0.5 THz返波管電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 超，劉文鑫，王 勇，郭 鑫，王 蒙

1)中國(guó)科學(xué)院高功率微波源與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100190

太赫茲技術(shù)是非常重要的交叉前沿領(lǐng)域，其獨(dú)特的性質(zhì)在物理、化學(xué)、信息和生物學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以及材料、通訊、國(guó)家安全等技術(shù)領(lǐng)域具有重大科學(xué)價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景[1-3]．但由于缺少小型化高功率太赫茲源，致使太赫茲技術(shù)無(wú)法得到廣泛深入的研究．相比其他太赫茲輻射源，真空電子學(xué)太赫茲輻射源由于其結(jié)構(gòu)緊湊、輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種重要的太赫茲輻射源．近年來(lái)，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室、格魯曼及CPI(Communications and Power Industries)公司對(duì)0.22、0.65、0.85 THz及1.03 THz的行波管進(jìn)行研究，并實(shí)現(xiàn)功率輸出．中國(guó)在真空電子學(xué)太赫茲研究主要集中在中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所、中國(guó)電子科技集團(tuán)第十二研究所及電子科技大學(xué)等單位，近年中國(guó)工程物理研究院也對(duì)太赫茲真空器件進(jìn)行了初步研究[4-5]．在真空太赫茲器件工作頻率方面，主要集中在0.22 THz和0.34 THz，在0.22 THz的行波管實(shí)現(xiàn)了瓦級(jí)輸出，而在0.34 THz器件輸出功率集中在毫瓦量級(jí)．對(duì)于更高頻率的太赫茲真空電子器件目前國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)報(bào)道．在變革性項(xiàng)目的支持下，中科院電子所開(kāi)展了更高頻率的太赫茲真空電子器件研究．本文主要對(duì)0.5 THz返波管振蕩器的電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究．

電子光學(xué)系統(tǒng)是真空電子器件的重要組成部分，主要包括電子注的產(chǎn)生、傳輸和收集3個(gè)物理過(guò)程．品質(zhì)優(yōu)良的電子光學(xué)系統(tǒng)不僅是太赫茲真空電子器件本身需要達(dá)到的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)也影響器件輸出功率大小，而且是器件能否在高工作比狀態(tài)甚至是連續(xù)波狀態(tài)下工作的前提．由于該0.5 THz返波管擬在低工作比下工作，因此該樣管的收集極采用常規(guī)風(fēng)冷收集極，本研究詳細(xì)闡述了樣管的電子槍和永磁聚焦系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．通過(guò)大量模擬計(jì)算，結(jié)合理論計(jì)算和PIC(particle-in-cell)熱腔的仿真模擬結(jié)果，確定電子槍和聚焦系統(tǒng)的基本參數(shù)，最終完成對(duì)0.5 THz返波管的電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)．

1 電子槍設(shè)計(jì)

采用皮爾斯槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)0.5 THz返波管的電子槍?zhuān)浣Y(jié)構(gòu)主要由陰極、聚束極和陽(yáng)極構(gòu)成，如圖1．由于電子注通道小，為同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率輸出，需要較長(zhǎng)的高頻互作用區(qū)，即長(zhǎng)電子注通道．另一方面，由于陰極結(jié)構(gòu)尺寸大，使電子注能夠進(jìn)入束流通道，導(dǎo)致太赫茲器件的壓縮比大．因此，高壓縮大長(zhǎng)徑比電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是太赫茲器件的難點(diǎn)和重點(diǎn)．為降低電子槍和高頻結(jié)構(gòu)的裝配難度，陰極結(jié)構(gòu)采用工藝最成熟的圓柱形球面陰極，其材料選擇工作壽命長(zhǎng)、發(fā)射性能穩(wěn)定的鋇鎢陰極．圖2為0.5 THz返波管擬采用的圓柱形球面鋇鎢陰極熱子組件實(shí)物圖．管體工作時(shí)，陰極周?chē)鷾囟群芨撸凼鴺O可能會(huì)膨脹和蒸散，所以聚束極選擇耐高溫，且膨脹系數(shù)較低的鉬，陽(yáng)極材料采用無(wú)氧銅．

圖1 電子槍結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of the electron gun

圖2 圓柱形球面鋇鎢陰極熱子組件實(shí)物圖Fig.2 Cylindrical spherical cathode-heater subassembly

圖3是0.5 THz返波管的周期性光柵高頻結(jié)構(gòu)示意圖．其中，電子注電壓V=23 kV；陰極發(fā)射電流I=100 mA，聚焦磁場(chǎng)強(qiáng)度B=9 500 Gauss．高頻結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度為26 mm，光柵齒高度H=0.11 mm，而電子束流通道半徑應(yīng)小于光柵齒高度，從而將電子束流通道直徑R設(shè)計(jì)為0.2 mm，因此發(fā)射電子的陰極面不能太大，否則過(guò)大的電子束壓縮比會(huì)增加電子槍和永磁聚焦系統(tǒng)的難度．另外，陰極直徑不能太小，小陰極必然導(dǎo)致陰極表面電流發(fā)射密度過(guò)大，從而減少陰極的使用壽命，并增加陰極以及相關(guān)組件的工藝難度．采用E-gun軟件對(duì)工作在0.5 THz返波管的電子槍進(jìn)行大量仿真計(jì)算，最終采用發(fā)射面曲率半徑為3.2 mm，直徑為1 mm的陰極．

圖3 周期性光柵高頻結(jié)構(gòu)Fig.3 High frequency structure of periodic gratings

當(dāng)工作電壓V=23 kV時(shí)，陰極發(fā)射電流I為105 mA，根據(jù)

P=I/V1.5

(1)

得到導(dǎo)流系數(shù)P約為0.03 μp．

圖4為陰極發(fā)射的電子束在無(wú)磁場(chǎng)約束下的運(yùn)動(dòng)軌跡，可見(jiàn)，電子束腰半徑a約為電子通道半徑r的85%，電子束壓縮比約為35，陰極面電流發(fā)射密度為13.4 A/cm2，同時(shí)電子束無(wú)交叉情況，層流性很好．另外陰極和陽(yáng)極的軸向和徑向距離分別為2.90 mm和4.86 mm，而V=23 kV，因此電子槍內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)小于真空環(huán)境下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)[6-9]，電子槍耐壓情況良好．為改善陰極發(fā)射電子能力，提高束流通過(guò)率，將電子槍設(shè)計(jì)為聚束極控制方式．

圖4 靜電電子運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Simulation result of electron trajectory without magnetic field

2 永磁聚焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)小型化緊湊型太赫茲返波管電子注的穩(wěn)定傳輸，從而實(shí)現(xiàn)注-波互作用，聚焦磁場(chǎng)采用均勻永磁聚焦結(jié)構(gòu)．布里淵磁場(chǎng)BB可根據(jù)靜電電子軌跡的束腰半徑a確定[10]

(2)

計(jì)算得到BB=2 570 Gauss．為減小電子注波動(dòng)，聚焦方式采用浸沒(méi)流聚焦，均勻區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)為BB的3.5～4.0倍，即均勻區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度B應(yīng)為9 000～10 300 Gauss．

由于采用圓形電子注，磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為軸對(duì)稱(chēng)的圓柱型均勻永磁聚焦磁場(chǎng)，根據(jù)B=Br+Bz, 其中，Br和Bz分別為聚焦磁場(chǎng)中心軸線(xiàn)上磁場(chǎng)的徑向和軸向分量．由于軸線(xiàn)上的Br=0， 得到圓柱型均勻永磁聚焦磁場(chǎng)的軸線(xiàn)上B=Bz．
圖5為采用Superfish軟件模擬得到的均勻永磁聚焦磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及磁場(chǎng)矢量示意圖．該聚焦結(jié)構(gòu)主要由極靴、外磁屏和磁鋼構(gòu)成．其中，極靴和外磁屏的材料均為純鐵，而磁鋼采用徑向充磁方式，其材料選擇矯頑力較大的釹鐵硼M48．經(jīng)大量?jī)?yōu)化后，均勻區(qū)磁場(chǎng)B取值為9 400 Gauss.

圖5 永磁聚焦磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of the permanent magnetic focusing system

電子槍區(qū)磁場(chǎng)與電子束的匹配情況直接影響到均勻磁場(chǎng)區(qū)(高頻互作用區(qū))電子束的質(zhì)量，因此需要將陰極面的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)為最佳陰極面磁場(chǎng)BK， 可根據(jù)式(3)和式(4)求得[11]．

(3)

(4)

其中，K為陰極參量；rK為陰極半徑．計(jì)算得到BK=262 Gauss．軟件模擬出的陰極面磁場(chǎng)為250 Gauss，約等于理論計(jì)算結(jié)果，相對(duì)誤差小于5%．圖6為采用Superfish和E-gun軟件模擬得到的均勻永磁聚焦磁場(chǎng)強(qiáng)度B在中心軸線(xiàn)上的分布曲線(xiàn)圖，兩個(gè)曲線(xiàn)基本重合．

圖6 中心軸線(xiàn)上磁場(chǎng)B的分布曲線(xiàn)Fig.6 Simulation results of magnetic field B curve on the central axis

高頻結(jié)構(gòu)的電子通道長(zhǎng)度L=26 mm，直徑R僅為0.2 mm，長(zhǎng)徑比高達(dá)130，同時(shí)電子槍、高頻組件以及聚焦磁場(chǎng)在裝配和焊接時(shí)，其同心度、平行度和垂直度總是存在偏差，所以?xún)?yōu)化電子光學(xué)系統(tǒng)時(shí)不能把電子束填充比設(shè)計(jì)得太大，否則會(huì)導(dǎo)致束流通過(guò)率不高，樣管性能無(wú)法達(dá)標(biāo)．如果束流通過(guò)率過(guò)低，大量電子束轟擊高頻結(jié)構(gòu)，會(huì)造成高頻結(jié)構(gòu)的損壞．

圖7為最終優(yōu)化得到的電子束在均勻永磁聚焦磁場(chǎng)下的軌跡．可見(jiàn)，電子束層流性很好，無(wú)交叉情況且波動(dòng)較小，填充比約為75%，但由于樣管實(shí)際工作時(shí)電子注受到高頻擾動(dòng)，因此，當(dāng)樣管工作時(shí)電子注填充比會(huì)大于75%．

圖7 在均勻永磁聚焦磁場(chǎng)約束下電子束軌跡Fig.7 Trajectory of electron beam constrained by uniform permanent magnet focusing magnetic field

周期光柵表面波的強(qiáng)度與光柵表面的距離成反比，因此電子注填充比越大，注-波互作用效率越高，如果電子注填充比太小，注-波互作用效率很低，會(huì)導(dǎo)致器件輸出功率很?。鐖D8，電子注填充比分別為70%、75%和80%時(shí)，輸出功率分別為0.10 W、0.35 W和1.00 W．由于電子槍區(qū)的磁場(chǎng)與該區(qū)域的電子束的匹配情況，直接影響到高頻互作用區(qū)的電子束運(yùn)動(dòng)軌跡，因此可采用外加鐵環(huán)的方式改變陰極面磁場(chǎng)BK的強(qiáng)度，調(diào)節(jié)電子槍區(qū)磁場(chǎng)和該區(qū)域電子束的匹配情況，從而達(dá)到改變電子束填充比的目的．一般來(lái)說(shuō)，調(diào)節(jié)鐵環(huán)厚度越大，陰極面的磁場(chǎng)越大．最終根據(jù)樣管熱測(cè)時(shí)束流通過(guò)率和輸出信號(hào)大小確定調(diào)節(jié)鐵環(huán)的厚度d． 均勻永磁聚焦磁場(chǎng)的三維剖面和工程圖如圖9．

圖8 電子注填充與輸出功率的關(guān)系Fig.8 Relationship between the output power of device and the filling ratio of electron beam

圖9 永磁聚焦磁場(chǎng)的三維剖面圖和工程圖Fig.9 Engineering drawing of the permanent magnetic focusing system

結(jié) 語(yǔ)

本研究根據(jù)返波管高頻結(jié)構(gòu)的PIC熱腔模擬結(jié)果，結(jié)合理論計(jì)算和軟件仿真模擬，同時(shí)考慮現(xiàn)有真空電子器件的工藝水平，設(shè)計(jì)了電子束層流性好、波動(dòng)性小，且結(jié)構(gòu)緊湊合理的聚束極控制電子槍?zhuān)约芭c之匹配的均勻永磁聚焦系統(tǒng)．本研究還提出調(diào)節(jié)電子注填充比的方法，完成了0.5 THz返波管電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作．