X波段带状注速调管注波互作用系统的3维PIC模拟
对于传统的轴对称功率源,其输出功率与频率的平方成反比,因而在高频段很难产生高功率输出。带状注速调管为平面对称功率源,它采用宽高比值很大的薄矩形注降低了束流内的空间电荷效应,时输出功率与频率的一次方成反比,因而具有在高频段获得高功率微波输出的巨大潜力。
早在1938年,俄罗斯的Kovalenko就提出了带状注速调管的概念。随后的60多年里,美国、俄罗斯和法国的科学家对其进行了初步的研究,但进展缓慢。这是因为带状注速调管为非轴对称结构,其电子光学系统和注波互作用系统的研究需要建立在三维仿真平台基础上,这受到当时技术水平限制未能得以实现。近年来,在高功率微波和毫米波源的需求牵引下,带状注速调管又重新在国际上引起了关注。它最大的技术优势在于,其特殊的大宽高比注波互作用段在高频段可以将尺寸做得较大,从而可大大提高功率容量。因此,在高频波段(如毫米波段) ,带状注速调管有望成为很具竞争力的高功率微波器件。二十世纪九十年代以来,国际上多家机构对其进行了较深入的研究,并取得了一些进展,而国内的研究工作才刚刚起步。
图1为SLAC设计的X波段75MW带状注速调管,其工作电压490kV,工作电流257A,带状注截面0.8×10cm2,聚焦磁场3×10-2T,注波互作用效率为60%。该管目前处于概念设计阶段,拟用于下一代线性对撞机。
图1 SLAC设计的X波段带状注速调管结构示意图
随着电子计算机的高速发展,其计算能力得到了很大程度的提高。于是PIC模拟方法就开始广泛应用于对等离子体方面的研究。三维PIC粒子模拟软件,可以在直角坐标系中时域求解自洽的麦克斯韦方程和运动方程,自动考虑电荷运动所产生的场、空间电荷效应以及磁场力,模拟精度已经得到了实验验证。研制带状注速调管时,为了预测器件的性能,对器件中带状注速调管注波互作用系统进行模拟计算是很重要的。目前, 国外关于带状注速调管方面的模拟计算报道很少,本文的研究内容在国内尚属首例。
本文利用PIC粒子模拟软件模拟了X波段带状注速调管三间隙腔的冷特性参数,同时采用CST软件进行验证,得到了一致的计算结果; 本文还利用PIC粒子模拟软件对X 波段带状注速调管进行了三维互作用模拟,给出了模拟的一般步骤,得到了包括增益、输出功率、互作用效率等比较全面的模拟结果。该研究对该类器件的工程设计及实验研究具有重要意义。
1、三间隙扩展互作用腔的模拟计算
在实际制管过程中,采用单间隙腔将会使带状注速调管面临高频击穿的问题。解决这一问题的办法是采用多间隙腔来代替单间隙腔。这是由于在频率相同的情况下,多间隙腔比单间隙腔具有更长的间隙长度和更高的功率容量,能够大大改善间隙打火问题。因此,对带状注速调管多间隙腔进行研究十分必要。
带状注速调管三间隙扩展互作用腔是由三个重入式哑铃型谐振腔形成的一种腔体结构,它是利用矩形漂移通道来进行三个单腔的耦合 。图2为带状注速调管三间隙扩展互作用腔的结构图。三间隙腔中的所有模式均可为π/3模、2π/3模和π模三大类。其中π模在三个单腔中的电场方向相反,相位相差π的奇数倍。图3是π/3模、2π/3模和π模电场强度沿轴向的变化(横坐标z 代表轴向,纵坐标代表归一化的电场强度) 。
图2 带状注速调管三间隙扩展互作用腔
图3 π/3模、2π/3模和π模轴向电场分布图
参照真空技术网给出的结果中整管设计的要求(电子注电压415kV ,电子注电流250A) ,确定了腔体参数,采用PIC 模拟软件得到了谐振频率为11.425GHz 的X 波段带状注速调管三间隙腔的本征模式,如图4 所示。
图4 带状注速调管三间隙π模腔电场分布图
图5 给出了三间隙腔中的模式分布图(横坐标为频率,纵坐标为电场沿x 方向变化的次数) 。其中“+ + + ”“+0 - ”“+ - + ”分别代表π/3模、2π/3模和π模。从图中可以看出,三间隙腔中的模式较多,模式间隔较小,因此必须抑制非工作模式的振荡。常用的方法有降低振荡模式的有载Q值,加吸收腔以及采用特殊腔体结构 。
图5 三间隙腔中的模式分布图
采用PIC模拟软件,对该谐振腔的特性阻抗进行了计算。计算结果表明:振荡约5ns 后R/Q值稳定在23Ω。同时采用CST软件进行验证,得到了一致的计算结果。
