8mm三次谐波潘尼管的理论设计与粒子模拟研究

　　潘尼管是利用电子在高频结构中的位置选择机制实现注波净能量交换的回旋器件,具有高效率与低磁场的显著特点。本文在简述其基本原理的基础上,研究了其设计理论与方法,进行了相应的数值计算,设计了一只8 mm波段三次回旋谐波潘尼管:采用4开槽渐变到圆波导的开放式谐振腔高频结构,2π工作模式,束电压43.5 kV,束电流1.45 A,最后采用3D-PIC模拟软件进行验证、优化。模拟结果显示,该器件可获得37.8 kW平均输出功率,器件效率可达到60%,展示了其作为高效永磁包装器件的良好应用前景。

　　近年来, 毫米波与亚毫米波在雷达、通信、电子战、波束武器与新能源研发等多个领域获得了越来越广泛的应用, 迫切需要一类新型的毫米波、亚毫米波源[ 1] : 一方面, 要求它的功率比常规的返波管、分布互作用腔速调管(EIO, EIA) 等大得多; 另一方面, 又要求其体积、重量、电压, 尤其是所需的磁场和工作准备时间比普通的回旋管小, 以便适应多种实际应用的要求。具有永磁包装前景的高次回旋谐波器件因满足这一要求而受到广泛的关注, 其中潘尼管是最重要的候选者之一[ 2- 3] 。

　　潘尼管的概念最早是在1962 年由日本的S. Ono,K. Yamanouchi 等[ 4- 7] 提出, 经过多年研究, 先后经历了双对脊波导高频结构, 无脊弓的方、圆波导谐振腔高频结构, 类磁控管的高频结构( 包括槽形结构和旭日结构) 。特别是类磁控管型高频结构的引入,不仅使潘尼管具有较好的模式隔离度、较大的工作带宽, 而且缩小了电子绕轴运动的回旋半径, 可以在较低的束电压下工作, 还提高了注波互作用强度, 大大促进了潘尼管的发展。1999 年Tohoku 大学研制出的磁控管型潘尼管, 采用纵向突变的能量耦合结构, 工作在2􀀁模式, 其中3 次谐波潘尼管的器件效率达39%, 10 次谐波的电子效率也高达6% , 显示了潘尼管十分诱人的应用前景。美国的UCD 实验室有一个持续多年的潘尼管研究计划, 目标是在8 mm波段获得25~ 100 kW 的输出功率[ 9- 15] 。国内也早有学者对潘尼管进行过理论研究与综合评述, 但迄今为止尚未见到详细、系统的研究工作报道[ 16- 17] 。

　　在国家自然科学基金的资助下, 本文开展了潘尼管的理论与粒子模拟研究, 首先简述了潘尼管的基本原理的; 然后研究了其设计理论与方法, 并具体设计了一支工作于8mm 波段三次谐波回旋潘尼管,特别是采用4 开槽渐变到圆波导的开放式谐振腔,与文献[ 8] 相比, 大大地提高了器件效率; 最后利用D􀀁PIC 模拟软件对理论设计参数进行验证与优化,在2􀀁工作模式, 束电压43􀀂5 kV, 束电流1􀀂45A 的情况下, 其平均输出功率不小于37􀀂8 kW, 为进一步实验研究打下了良好基础。

4、 结论

　　本文简述了潘尼管的基本原理, 研究了其设计中开槽波导色散特性、开放式谐振腔设计、模式竞争等关键问题, 编制了相应的计算程序, 并设计了一只8mm 波段三次谐波潘尼管。继而用3D􀀁PIC 模拟软件进行了验证与优化, 给出了其内部粒子分布与能量变化过程的描述。模拟还给出了器件的主要性能: 所得工作模式与频率与理论设计一致, 器件效率达60% , 输出功率达37􀀂8 kW, 而工作磁场仅0􀀂396T, 显示了这种器件发展为高效永磁包装毫米波器件的巨大潜力。下一步我们将在此基础上开展实验研究。