為了改善電子注與聚焦磁場(chǎng)的匹配狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)帶狀電子注的長(zhǎng)距離穩(wěn)定傳輸，提出了一種優(yōu)化的周期凸起磁場(chǎng)(PCM)聚焦結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的PCM聚焦結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化的PCM結(jié)構(gòu)改善了電子注的成形和傳輸狀態(tài)，能夠約束帶狀注長(zhǎng)距離穩(wěn)定傳輸。電子槍設(shè)計(jì)電壓75kV，電流318A，10mm×0.5mm的帶狀電子注由10mm×4mm的橢圓陰極面發(fā)射并在單一方向壓縮形成。漂移通道長(zhǎng)89mm，橫向截面尺寸為12mm×0.8mm。結(jié)果顯示，磁場(chǎng)周期為12mm，峰值為0.24T；電子注傳輸時(shí)在高度方向的最大波動(dòng)尺寸為0.6mm。該聚焦結(jié)構(gòu)同時(shí)還能兼容線包聚焦方式，磁場(chǎng)強(qiáng)度和電子注輸時(shí)在高度方向的波動(dòng)尺寸分別為0.31T和0.5mm，束流通過(guò)率為100%。

　　近年來(lái)，高功率微波器件和技術(shù)得到了較快的發(fā)展，微波真空電子器件正在逐步向高頻率、高功率、高效率、小型化等方向發(fā)展。帶狀注速調(diào)管在1938年由俄羅斯人Kovalenko提出，帶狀電子注器件采用大寬高比截面電子注，有效地降低了空間電荷效應(yīng)，擴(kuò)大了互作用區(qū)域，降低了擊穿的危險(xiǎn)，在適中電壓下可以得到大電流。在國(guó)外，帶狀電子注在高頻率和高電流密度方向的研究較為熱門(mén)，其中加利福尼亞大學(xué)Y.Shin等的仿真結(jié)果表明帶狀注速調(diào)管在94.5GHz有望獲得50kW的峰值輸出功率。在國(guó)內(nèi)，中科院電子所在X波段和W波段帶狀注的研究取得了一定的進(jìn)展。

　　帶狀電子注產(chǎn)生、成形和穩(wěn)定傳輸是高功率帶狀注速調(diào)管成功研制的關(guān)鍵，帶狀電子注可以采用均勻磁場(chǎng)、Wiggler磁場(chǎng)和周期凸起磁場(chǎng)(PCM)磁場(chǎng)聚焦。帶狀注在均勻磁場(chǎng)聚焦的情況下，由于存在Ey×By速度剪切，電子注會(huì)出現(xiàn)扭結(jié)和撕裂的Diocotron不穩(wěn)定現(xiàn)象。而研究表明，增強(qiáng)磁場(chǎng)可以有效降低Diocotron不穩(wěn)定性對(duì)帶狀電子注的影響并獲得高傳輸特性的電子光學(xué)系統(tǒng)。采用Wiggler聚焦方式，電子注存在橫向擺動(dòng)可能導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)而被截獲，適用于短距離傳輸時(shí)的帶狀注聚焦。中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所分別采用線包聚焦和Wiggler聚焦實(shí)現(xiàn)了帶狀電子注的穩(wěn)定傳輸。1993年，Booske證明了由周期磁場(chǎng)約束帶狀電子注是穩(wěn)定的，同時(shí)提出了偏置PCM結(jié)構(gòu)能夠在電子注的兩個(gè)方向上提供匹配的聚焦力。PCM聚焦帶狀電子注具有更低的橫向擺動(dòng)，可以有效抑制自由電子激光等高頻不穩(wěn)定性，減小因橫向速度的增大引起的軸向速度波動(dòng)，達(dá)到帶狀電子注的高效穩(wěn)定傳輸。

　　傳統(tǒng)PCM聚焦結(jié)構(gòu)與電子注匹配狀態(tài)不佳導(dǎo)致傳輸時(shí)的波動(dòng)過(guò)大，可能是導(dǎo)致測(cè)試直流通過(guò)率低的主要原因之一。相對(duì)于傳統(tǒng)PCM聚焦結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的PCM結(jié)構(gòu)改善了電子注與聚焦磁場(chǎng)的匹配狀態(tài)，獲得了傳輸波動(dòng)更小的帶狀電子注。該聚焦系統(tǒng)同時(shí)能兼容線包聚焦方式，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.31T時(shí)的電子注波動(dòng)尺寸更小。

1、優(yōu)化的PCM聚焦結(jié)構(gòu)

　　電子光學(xué)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：電子槍工作電壓75kV，電流3.8A；陰極發(fā)射面為10mm×4mm橢圓形；電子注通道橫向尺寸為12mm×0.8mm，長(zhǎng)度為89mm。電子注只在y方向上壓縮，x方向基本保持不變，成形后的電子注尺寸約為10mm×0.5mm。EOS是三維微波管模擬器套裝(Microwave Tube Simulation Suite，MTSS)的重要組成部分，可以用于帶狀注電子槍的模擬設(shè)計(jì)。在EOS環(huán)境中建立的電子槍模型如圖1所示，電子注從陰極表面發(fā)射后在電場(chǎng)的作用下被加速并壓縮。電子槍區(qū)的耐壓是電子槍設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)題，圖2給出了電子槍區(qū)的靜電場(chǎng)分布，該區(qū)域的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為9×10⁶V/m，能夠滿足耐壓要求。

圖1 電子槍模型

圖2 電子槍區(qū)靜電場(chǎng)分布

3、結(jié)論

　　針對(duì)傳統(tǒng)PCM聚焦結(jié)構(gòu)中電子注與聚焦磁場(chǎng)難以較好匹配的問(wèn)題，提出了一種優(yōu)化的PCM聚焦結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)有效地改善了電子注與聚焦磁場(chǎng)的匹配狀態(tài)，能夠獲得傳輸波動(dòng)更小的帶狀電子注。設(shè)計(jì)的聚焦系統(tǒng)同時(shí)能夠兼容線包聚焦方式，且電子注傳輸更穩(wěn)定。在優(yōu)化的結(jié)構(gòu)中，無(wú)論使用PCM聚焦方式還是線包聚焦方式，都能夠?qū)崿F(xiàn)帶狀電子注穩(wěn)定傳輸超過(guò)89mm。該傳輸距離能夠滿足高頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，為電子光學(xué)系統(tǒng)和高頻系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)。