對(duì)于傳統(tǒng)的軸對(duì)稱功率源,其輸出功率與頻率的平方成反比,因而在高頻段很難產(chǎn)生高功率輸出。帶狀注速調(diào)管為平面對(duì)稱功率源,它采用寬高比值很大的薄矩形注降低了束流內(nèi)的空間電荷效應(yīng),時(shí)輸出功率與頻率的一次方成反比,因而具有在高頻段獲得高功率微波輸出的巨大潛力。

　　早在1938年,俄羅斯的Kovalenko就提出了帶狀注速調(diào)管的概念。隨后的60多年里,美國(guó)、俄羅斯和法國(guó)的科學(xué)家對(duì)其進(jìn)行了初步的研究,但進(jìn)展緩慢。這是因?yàn)閹�狀注速調(diào)管為非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),其電子光學(xué)系統(tǒng)和注波互作用系統(tǒng)的研究需要建立在三維仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上,這受到當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制未能得以實(shí)現(xiàn)。近年來(lái),在高功率微波和毫米波源的需求牽引下,帶狀注速調(diào)管又重新在國(guó)際上引起了關(guān)注。它最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于,其特殊的大寬高比注波互作用段在高頻段可以將尺寸做得較大,從而可大大提高功率容量。因此,在高頻波段(如毫米波段) ,帶狀注速調(diào)管有望成為很具競(jìng)爭(zhēng)力的高功率微波器件。二十世紀(jì)九十年代以來(lái),國(guó)際上多家機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行了較深入的研究,并取得了一些進(jìn)展,而國(guó)內(nèi)的研究工作才剛剛起步。

　　圖1為SLAC設(shè)計(jì)的X波段75MW帶狀注速調(diào)管,其工作電壓490kV,工作電流257A,帶狀注截面0.8×10cm²,聚焦磁場(chǎng)3×10^-2T,注波互作用效率為60%。該管目前處于概念設(shè)計(jì)階段,擬用于下一代線性對(duì)撞機(jī)。

圖1 　SLAC設(shè)計(jì)的X波段帶狀注速調(diào)管結(jié)構(gòu)示意圖

　　隨著電子計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展,其計(jì)算能力得到了很大程度的提高。于是PIC模擬方法就開(kāi)始廣泛應(yīng)用于對(duì)等離子體方面的研究。三維PIC粒子模擬軟件,可以在直角坐標(biāo)系中時(shí)域求解自洽的麥克斯韋方程和運(yùn)動(dòng)方程,自動(dòng)考慮電荷運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的場(chǎng)、空間電荷效應(yīng)以及磁場(chǎng)力,模擬精度已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研制帶狀注速調(diào)管時(shí),為了預(yù)測(cè)器件的性能,對(duì)器件中帶狀注速調(diào)管注波互作用系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算是很重要的。目前, 國(guó)外關(guān)于帶狀注速調(diào)管方面的模擬計(jì)算報(bào)道很少,本文的研究?jī)?nèi)容在國(guó)內(nèi)尚屬首例。

　　本文利用PIC粒子模擬軟件模擬了X波段帶狀注速調(diào)管三間隙腔的冷特性參數(shù),同時(shí)采用CST軟件進(jìn)行驗(yàn)證,得到了一致的計(jì)算結(jié)果; 本文還利用PIC粒子模擬軟件對(duì)X 波段帶狀注速調(diào)管進(jìn)行了三維互作用模擬,給出了模擬的一般步驟,得到了包括增益、輸出功率、互作用效率等比較全面的模擬結(jié)果。該研究對(duì)該類器件的工程設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究具有重要意義。

1、三間隙擴(kuò)展互作用腔的模擬計(jì)算

　　在實(shí)際制管過(guò)程中,采用單間隙腔將會(huì)使帶狀注速調(diào)管面臨高頻擊穿的問(wèn)題。解決這一問(wèn)題的辦法是采用多間隙腔來(lái)代替單間隙腔。這是由于在頻率相同的情況下,多間隙腔比單間隙腔具有更長(zhǎng)的間隙長(zhǎng)度和更高的功率容量,能夠大大改善間隙打火問(wèn)題。因此,對(duì)帶狀注速調(diào)管多間隙腔進(jìn)行研究十分必要。

　　帶狀注速調(diào)管三間隙擴(kuò)展互作用腔是由三個(gè)重入式啞鈴型諧振腔形成的一種腔體結(jié)構(gòu),它是利用矩形漂移通道來(lái)進(jìn)行三個(gè)單腔的耦合 。圖2為帶狀注速調(diào)管三間隙擴(kuò)展互作用腔的結(jié)構(gòu)圖。三間隙腔中的所有模式均可為π/3模、2π/3模和π模三大類。其中π模在三個(gè)單腔中的電場(chǎng)方向相反,相位相差π的奇數(shù)倍。圖3是π/3模、2π/3模和π模電場(chǎng)強(qiáng)度沿軸向的變化(橫坐標(biāo)z 代表軸向,縱坐標(biāo)代表歸一化的電場(chǎng)強(qiáng)度) 。

圖2 　帶狀注速調(diào)管三間隙擴(kuò)展互作用腔

圖3 　π/3模、2π/3模和π模軸向電場(chǎng)分布圖

　　參照真空技術(shù)網(wǎng)給出的結(jié)果中整管設(shè)計(jì)的要求(電子注電壓415kV ,電子注電流250A) ,確定了腔體參數(shù),采用PIC 模擬軟件得到了諧振頻率為11.425GHz 的X 波段帶狀注速調(diào)管三間隙腔的本征模式,如圖4 所示。

圖4 　帶狀注速調(diào)管三間隙π模腔電場(chǎng)分布圖

　　圖5 給出了三間隙腔中的模式分布圖(橫坐標(biāo)為頻率,縱坐標(biāo)為電場(chǎng)沿x 方向變化的次數(shù)) 。其中“+ + + ”“+0 - ”“+ - + ”分別代表π/3模、2π/3模和π模。從圖中可以看出,三間隙腔中的模式較多,模式間隔較小,因此必須抑制非工作模式的振蕩。常用的方法有降低振蕩模式的有載Q值,加吸收腔以及采用特殊腔體結(jié)構(gòu) 。

圖5 　三間隙腔中的模式分布圖

　　采用PIC模擬軟件,對(duì)該諧振腔的特性阻抗進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明:振蕩約5ns 后R/Q值穩(wěn)定在23Ω。同時(shí)采用CST軟件進(jìn)行驗(yàn)證,得到了一致的計(jì)算結(jié)果。