本文中較全面地討論了多級(jí)降壓收集極的物理模型。通過(guò)分析3個(gè)工作頻率點(diǎn)高頻輸出端的電子注特性來(lái)設(shè)計(jì)多級(jí)降壓收集極:借助電子注層流性參量,對(duì)帶有再聚焦磁場(chǎng)的散群聚區(qū)進(jìn)行優(yōu)化,得到磁場(chǎng)參量的初始值;運(yùn)用電子軌跡等效電位圖,確定各電極的初步電位,通過(guò)收集極區(qū)結(jié)構(gòu)和電極電位的優(yōu)化得到較高的收集極效率;通過(guò)收集極的全面優(yōu)化使收集極效率得到了進(jìn)一步的提高;在考慮二次電子發(fā)射情況下,對(duì)收集極結(jié)構(gòu)和電極電位進(jìn)行優(yōu)化,在保證收集極效率的情況下使二次電子回流率為零。模擬結(jié)果表明:借助電子注層流參量設(shè)計(jì)出帶有再聚焦磁場(chǎng)的散群聚區(qū)使電子軌跡層流性得到較大改善;合理的結(jié)構(gòu)和電極電位能得到較高的收集極效率;二次電子發(fā)射對(duì)收集極效率影響較大,合理的調(diào)節(jié)外凸錐形電極的傾角能避免二次電子回流。此設(shè)計(jì)運(yùn)用于一耦合腔行波管收集極的模擬計(jì)算,達(dá)到了良好的效果。

　　行波管是一種寬頻帶、高效率、大功率的微波功率放大器件,廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、電視、廣播、電子對(duì)抗等各種電子設(shè)備中。多級(jí)降壓收集極(MDC)附加到行波管中,從互作用后的電子中回收可觀的能量,從而提高行波管的效率,改善散熱條件,減輕重量,提高了整管的穩(wěn)定性和可靠性。收集極效率和二次電子回流是收集極設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。

　　采用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算,可以快速地進(jìn)行多級(jí)降壓收集極設(shè)計(jì),縮短設(shè)計(jì)周期,節(jié)約成本,降低損耗和浪費(fèi),提高設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)能力。多級(jí)降壓收集極模擬設(shè)計(jì)成為當(dāng)前行波管設(shè)計(jì)制造過(guò)程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者借助模擬設(shè)計(jì)軟件對(duì)收集極模擬設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

　　耦合腔行波管相對(duì)于螺旋線行波管輸出功率大,但其頻寬較窄,電子效率較低,故耦合腔行波管更有必要采用降壓收集極回收廢電子能量,提高整管效率。本文主要是針對(duì)行波管內(nèi)收集極模擬設(shè)計(jì)進(jìn)行的,通過(guò)對(duì)高頻輸出端高中低工作頻率點(diǎn)電子注特性分析,在大致確定再聚焦磁場(chǎng)、電極數(shù)及其電位和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上考慮二次電子發(fā)射的收集極進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用此設(shè)計(jì)對(duì)一耦合腔行波管收集極進(jìn)行模擬設(shè)計(jì),取得了良好的效果,同時(shí)為實(shí)際收集極的設(shè)計(jì)提供了一些分析方法和依據(jù)。

1、物理模型

1.1、帶有再聚焦磁場(chǎng)(PPM)的散群聚區(qū)

　　多級(jí)降壓收集極通常被分為散群聚區(qū)和降壓收集極區(qū)兩部分分別進(jìn)行分析,所謂散群聚區(qū)是指從高頻輸出腔出口到收集極入口這一漂移段。在散群聚區(qū)已經(jīng)基本上沒(méi)有高頻電場(chǎng)的作用,磁場(chǎng)的聚焦作用也在減弱,但互作用后的電子的空間群聚依然存在,電子注的紊亂度較大,除此之外,快電子超越慢電子,產(chǎn)生軌跡交叉,故廢電子注能量及角度范圍較大。為有效收集廢電子,在散群聚區(qū)加上再聚焦磁場(chǎng)進(jìn)行改善。它有兩方面的目的:減小空間電荷力的作用;減少電子注中橫向速度分量,使之變成可以被回收的縱向速度分量。衡量再聚焦區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)是其對(duì)廢電子注層流性的改善程度。電子注的特性可用平均半徑〈r〉、平均角度〈α〉及角度偏差σ〈α〉來(lái)表示,σ〈α〉(均方根) 是衡量電子注層流性的量。對(duì)于一個(gè)包含N 個(gè)微粒的電子注,這些量的表達(dá)式為

　　其中,下標(biāo)i和f表示開始和結(jié)束狀態(tài)。

1.2、多級(jí)降壓收集極的工作原理

　　在高頻系統(tǒng)中,一方面電子束與高頻場(chǎng)互作用,電子會(huì)得到減速,另一方面,電子注與場(chǎng)的互作用又要求維持同步條件,電子的能量不可能在互作用區(qū)得到完全的利用,總會(huì)有一部分電子能量以動(dòng)能的形式保留下來(lái),因而電子利用率比較低。多級(jí)降壓收集極是在收集極內(nèi)形成適當(dāng)分布的靜電場(chǎng),經(jīng)過(guò)互作用后的電子注進(jìn)入收集極,運(yùn)動(dòng)于這個(gè)減速靜電場(chǎng)中,最后按速度分類收集,動(dòng)能比較大的電子打到電位比較低的電極表面,動(dòng)能比較小的電子打到電位比較高的電極表面,如此,電子都以比較低的速度被收集。由于電子在減速場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),電子對(duì)電源做功而將能量交回給直流電源了。這就是采用多級(jí)降壓收集極提高行波管總效率的工作原理。多級(jí)降壓收集極設(shè)計(jì)的主要工作就是安排適當(dāng)?shù)碾姌O位置和電位對(duì)進(jìn)入降壓收集極區(qū)的電子注進(jìn)行回收。為了更好收集電子,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則:

　　(1) 電子盡可能被低電位電極收集,但避免所有電子到達(dá)同一點(diǎn)；

　　(2) 電子按照能量(主要是指動(dòng)能) 的不同分類收集,使不同能量的電子到達(dá)不同的電極上；

　　(3) 設(shè)計(jì)最合理的電極,盡可能使電子速度的減量達(dá)到最大(收集極效率最高) ；

　　(4) 收集極設(shè)計(jì)不應(yīng)太復(fù)雜(即用最簡(jiǎn)單、最少的收集電極數(shù)達(dá)到最好的收集效果) ；

　　限于篇幅，文章第二章節(jié)的部分內(nèi)容省略，詳細(xì)文章請(qǐng)郵件至作者索要。

3、總結(jié)

　　帶有再聚焦磁場(chǎng)散群聚區(qū)對(duì)進(jìn)入收集極區(qū)的電子軌跡分布有著重要的影響,從而影響收集極效率。散群聚區(qū)尺寸(長(zhǎng)度和電子通道直徑) 和再聚焦磁場(chǎng)參量(磁場(chǎng)峰值、磁場(chǎng)起點(diǎn)、磁場(chǎng)周期) 是帶有再聚焦磁場(chǎng)散群聚區(qū)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮這幾個(gè)因素的影響。借助電子注層流性參量,調(diào)節(jié)再聚焦磁場(chǎng)和散群聚區(qū)可得到層流性良好的電子注。

　　根據(jù)進(jìn)入MDC的電子注特性,描繪出散群聚區(qū)電子軌跡的等效電位分布圖,從而確定了收集極級(jí)數(shù)和初步電極電位。這樣,減小了計(jì)算仿真和實(shí)際設(shè)計(jì)的盲目性,從而方便了MDC的設(shè)計(jì)。借助模擬設(shè)計(jì)軟件,結(jié)合收集區(qū)的初步結(jié)構(gòu)可優(yōu)化出收集極效率較高的電極電位和收集極結(jié)構(gòu)。

　　二次電子對(duì)降壓收集極的效率和電子回流率有重要影響,而收集極效率與電子回流率又是考核降壓收集極設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。根據(jù)打在優(yōu)化后收集極電極上原電子的平均能量和平均入射角度以及選用的電極材料確定真二次電子發(fā)射系數(shù)和背射電子發(fā)射系數(shù),借助模擬設(shè)計(jì)軟件對(duì)收集極進(jìn)行精心的電子光學(xué)設(shè)計(jì),大大改善了二次電子發(fā)射對(duì)收集極效率和回流率的影響,使模擬設(shè)計(jì)更接近實(shí)際,特別是采用外凸錐形電極調(diào)節(jié)二次電子回流的新方法,使電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,調(diào)節(jié)方便。但也應(yīng)該注意到真二次電子發(fā)射系數(shù)和背射電子發(fā)射系數(shù)除受上述因素影響外,同時(shí)還受到電極表面狀態(tài)的影響,如粗糙度和清潔度,故實(shí)際加工電極時(shí)應(yīng)提高電極表面的粗糙度和清潔度。