回旋速調(diào)管是一類具有重要應(yīng)用前景的高功率、高效率和高增益相干毫米波源。本文簡(jiǎn)要介紹了回旋速調(diào)管的結(jié)構(gòu)和工作原理，重點(diǎn)評(píng)述了回旋速調(diào)管注波互作用理論的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)，指出了發(fā)展中存在的一些問(wèn)題，并提出了自己的建議，希望能對(duì)中國(guó)回旋速調(diào)管的發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用。

　　回旋速調(diào)管是回旋管家族中的一員，具有高功率、高效率、高增益和一定帶寬等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗、等離子體加熱及材料處理等領(lǐng)域，在下一代直線對(duì)撞機(jī)、高梯度加速器中也有重要應(yīng)用前景，是實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一類回旋管放大器。

　　回旋速調(diào)管的早期研究和計(jì)算多是前蘇聯(lián)科學(xué)家開(kāi)展的，主要致力于基本問(wèn)題的解決與設(shè)計(jì)計(jì)算。早在1973 年，Demidovich 等開(kāi)展了回旋速調(diào)管計(jì)算，其計(jì)算的三腔回旋速調(diào)管電子效率可達(dá)85% 。經(jīng)過(guò)30 多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了相對(duì)完善的回旋速調(diào)管線性理論與非線性理論。此外，粒子模擬理論也逐漸應(yīng)用于回旋速調(diào)管等真空器件的注波互作用模擬�；匦�速調(diào)管的數(shù)值模擬已經(jīng)成為與解析理論、實(shí)驗(yàn)方法相并列的第三種科學(xué)研究手段，對(duì)提高器件設(shè)計(jì)能力，縮短開(kāi)發(fā)周期，減少整管硬件實(shí)驗(yàn),改善性能等方面起到極其重要的作用。

　　本文在簡(jiǎn)要介紹回旋速調(diào)管的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)描述回旋速調(diào)管注波互作用過(guò)程的線性理論、非線性理論以及粒子模擬進(jìn)行了綜述，分析了各種理論模型的優(yōu)點(diǎn)與局限，指出了應(yīng)用與發(fā)展中存在的一些問(wèn)題以及可能的解決方案。希望本文能對(duì)回旋速調(diào)管的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

1、回旋速調(diào)管的結(jié)構(gòu)與工作原理

　　回旋速調(diào)管是回旋管家族中的一員，由電子槍、輸入耦合器、互作用回路、磁場(chǎng)系統(tǒng)、收集極、輸出窗等部件構(gòu)成，其互作用回路與多腔速調(diào)管類似，由兩個(gè)或多個(gè)分離的諧振腔通過(guò)電子漂移管連接而成。圖1 給出了一個(gè)典型的四腔回旋速調(diào)管互作用電路的示意圖。

圖1 典型的四腔回旋速調(diào)管互作用電路示意圖

3、主要問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)

　　回旋速調(diào)管各種注波互作用理論模型各有自身的優(yōu)勢(shì)與局限，因而也就有各自的最佳適用范圍。線性理論簡(jiǎn)單、直觀，有利于理解器件的工作原理與進(jìn)行器件的初始設(shè)計(jì)。非線性理論比較真實(shí)地反映器件的非線性互作用過(guò)程，有利于預(yù)測(cè)器件的電子效率、輸出功率等性能。粒子模擬則可以真實(shí)記錄電磁場(chǎng)與帶電粒子的自洽互作用過(guò)程，能分析許多復(fù)雜的、不甚明了的物理問(wèn)題與物理現(xiàn)象。但是，粒子模擬屬于純數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求比較高，計(jì)算消耗大量?jī)?nèi)存，模擬時(shí)間長(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)器件從初始設(shè)計(jì)到最終成功，各種理論模型和方法都需要用到，這就要求掌握并靈活運(yùn)用各種理論模型與技術(shù)。

　　經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，中國(guó)在回旋速調(diào)管理論研究方面取得了一定進(jìn)展，但在研究和發(fā)展過(guò)程中還存在一些問(wèn)題。這些問(wèn)題主要包括:

　　(1) 成果分散，重復(fù)勞動(dòng)較多隨著計(jì)算機(jī)模擬成為一種科學(xué)研究的重要手段，大批科研人員從事數(shù)值模擬研究，取得了大量科研成果。但是，這些成果大多是分散的、階段性的，沒(méi)有形成完整、系統(tǒng)的實(shí)用程序，很多成果甚至被束之高閣。

　　(2) 理論模型的精度與效率有待提高目前，國(guó)內(nèi)發(fā)展的回旋速調(diào)管注波互作用理論模型多采用一定的近似，如高頻場(chǎng)分布采用冷腔場(chǎng)分布，忽略空間電荷力，漂移管內(nèi)不存在電磁場(chǎng)等，其精度與效率相比國(guó)外最先進(jìn)的注波互作用理論模型有進(jìn)一步提升的空間。

　　(3) 程序的系統(tǒng)化與實(shí)用化程度低國(guó)內(nèi)相關(guān)單位，如中科院電子所、中電科技集團(tuán)12 所、電子科技大學(xué)等，都開(kāi)發(fā)了回旋速調(diào)管的數(shù)值計(jì)算程序。這些程序多局限于內(nèi)部人員使用，系統(tǒng)化與實(shí)用化程度非常低。相比之下，國(guó)外非常注重程序的系統(tǒng)化與實(shí)用化。美國(guó)、俄羅斯、日本等都有成套的數(shù)值模擬程序，有些作為商品在全世界銷售。如俄羅斯的速調(diào)管模擬軟件Arsenal，美國(guó)的粒子模擬軟件MAGIC 等。

　　針對(duì)以上的問(wèn)題，建議加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究工作。

　　(1) 加強(qiáng)精確效回旋速調(diào)管注波互作用理論的研究和代碼的開(kāi)發(fā)對(duì)回旋速調(diào)管進(jìn)行初始設(shè)計(jì)以及多種不同設(shè)計(jì)方案的模擬與優(yōu)化時(shí)，采用一定近似的線性理論與非線性理論具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。建議加強(qiáng)更加精確高效注波互作用理論模型的研究和代碼的開(kāi)發(fā)。在理論模型精度上，可以利用廣義電報(bào)方程計(jì)算回旋速調(diào)管整個(gè)互作用區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)，避免逐腔計(jì)算、漂移管近似以及冷腔近似可能引入的誤差。在理論模型的計(jì)算效率上，尤其對(duì)場(chǎng)幅度與場(chǎng)分布隨注波互作用自洽演變的理論模型( 如MAGY)而言，穩(wěn)定且高效的場(chǎng)計(jì)算與更新算法尤其重要。

　　此外，如何準(zhǔn)確且高效地獲得粒子在任意位置所感受到的場(chǎng)也有重要的研究?jī)r(jià)值。這些內(nèi)容直接關(guān)系到理論模型的精度與代碼的執(zhí)行效率。

　　(2) 加強(qiáng)三維電磁粒子模擬程序的開(kāi)發(fā)與推廣應(yīng)用采用全三維粒子模擬軟件模擬器件的注波互作用過(guò)程，要求計(jì)算機(jī)容量大，且運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)。但是,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與并行算法的開(kāi)發(fā)，采用GPU 加速以及引入新的高效算法，有望克服這些局限。建議加強(qiáng)三維電磁粒子模擬程序的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，最大限度發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，對(duì)器件內(nèi)部復(fù)雜物理問(wèn)題進(jìn)行研究。注波互作用計(jì)算可以在大信號(hào)理論模型與三維粒子模擬方法之間進(jìn)行平衡分析。大信號(hào)理論代碼可以作為日常設(shè)計(jì)工具，對(duì)器件進(jìn)行初始設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)。PIC 粒子模擬則可以用來(lái)對(duì)器件的最終性能進(jìn)行確定性分析。利用兩者各自的優(yōu)勢(shì)，最終高效完成器件的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與性能分析。

　　(3) 模擬程序的系統(tǒng)化與實(shí)用化回旋速調(diào)管模擬計(jì)算的系統(tǒng)化與實(shí)用化可以借鑒行波管方面的工作。美國(guó)通過(guò)MMACE 計(jì)劃創(chuàng)建了微波電真空器件CAD 系統(tǒng)，集成了電子槍、磁場(chǎng)、注波互作用等各類軟件，為提高功率行波管的設(shè)計(jì)能力，新管型的開(kāi)發(fā)與測(cè)試提供了有力的支撐。中國(guó)開(kāi)發(fā)了/ 寬帶大功率行波管CAD 集成環(huán)境0，實(shí)現(xiàn)了電子從陰極發(fā)射,與高頻場(chǎng)互作用直至被降壓收集極捕獲全過(guò)程的二維模擬與可視化。在此基礎(chǔ)上，成功開(kāi)發(fā)了全三維的微波管模擬套裝MTSS。這些開(kāi)發(fā)平臺(tái)在國(guó)內(nèi)各制管單位得到推廣應(yīng)用，極大促進(jìn)了中國(guó)行波管設(shè)計(jì)水平的提高。

　　對(duì)于回旋速調(diào)管的模擬計(jì)算，只要在系統(tǒng)化、實(shí)用化方面多一些統(tǒng)一安排和部署，避免科研成果的閑置和低水平的重復(fù)勞動(dòng)，精心組織，一定會(huì)研究出高水平的計(jì)算機(jī)模擬程序。

4、結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了回旋速調(diào)管的結(jié)構(gòu)和工作原理，評(píng)述了其注波互作用理論的發(fā)展概況和趨勢(shì)，討論了理論發(fā)展中存在的一些問(wèn)題，并建議加強(qiáng)精確高效回旋速調(diào)管注波互作用理論模型的研究與代碼的開(kāi)發(fā)，在系統(tǒng)化、實(shí)用化方面多一些統(tǒng)一安排和部署,避免科研成果的閑置和大量的重復(fù)勞動(dòng)，以提高我國(guó)在計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方面的整體研究水平。