非轴对称磁场对多级降压收集极性能的影响

　　收集效率和回流率是体现多级降压收集极性能的两个重要指标，本文尝试在收集极表面加上一定弧度的磁钢贴片，以此在收集极内引入非轴对称磁场，通过调节磁场的大小和位置，观察磁场对收集极内电子运动轨迹的影响，寻求实现收集极效率的最大化并抑制二次电子回流。针对某一Ku 波段行波管多级降压收集极，加入优化磁场后的计算结果与未加磁场时相比，各电极电流分布发生变化，部分电子被更靠后的电极所收集，中频点处回流率由原来的2.49%降低到0.54%，同时收集效率提高超过3%达到79.07%。收集极性能的改善也为行波管效率的提高提供了保证。

　　行波管是目前军事装备上应用最广泛的微波管，效率是衡量其性能的重要指标之一，并且提高行波管效率可带来可观的经济效益。行波管整管效率主要取决于电子注与高频电路的互作用效率,以及收集极的效率。提高收集极效率的一种方法是采用多级降压收集极。20 世纪50 年代，Wolksein和Sterzer率先成功地将多级降压收集极(MDC) 应用到行波管中实现整管效率提高。之后人们对收集极的结构和形式做了不同尝试: 结构有轴对称及非轴对称等；减速场采用静电场或者磁场，电场又有均匀场、抛物线散焦电场、双曲线聚焦电场、倾斜电场等，使用最多的是静电场收集极。

　　在多级降压收集极中，二次电子的存在对效率和回流率有重要影响，二次电子回流到高频互作用区，会增加热耗散功率，在高频输出窗产生额外的噪声功率，甚至可能导致整管烧毁；二次电子轰击到高电位电极，吸收能量，会降低收集极效率。常见的提高多级降压收集极效率的方法是优化电极形状和电位，并对收集极表面进行材料改性，而非轴对称磁场对多级降压收集极性能会产生如何影响，这方面尚未见报道。本文利用微波管仿真软件MTSS,结合某一Ku 波段行波管收集极进行非轴对称磁场的优化设计，目标是实现收集极效率的明显提高并控制回流率，为实际制管提供可行方案，最后将对初步研究结果做出讨论和分析。

1、磁场设计

　　电子注在进入收集极之前，由于各种原因，如热阴极发射电子的热初速零散造成电子纵向速度的零散；互作用区介质杆的存在使高频电场并非轴对称；磁聚焦系统在高频输入输出端使用开口磁钢。这些都会造成部分电子运动的非轴对称性，尽管如此，电子注经过收集极再聚焦区磁场聚束作用后，在对称结构的收集极内，运动轨迹依然呈轴对称状。若是在收集极内采用轴对称磁场，将对所有电子产生同样影响，所以这里引入非轴对称磁场，希望能像非对称结构收集极那样，对电子注运动轨迹产生明显的偏转效果，达到抑制二次电子返流，提高效率降低回流率的效果。

　　为了不改变收集极结构，本文采用最简单的方式，通过覆盖在收集极表面的一片弧形磁钢，在收集极内形成非轴对称磁场，如图1 所示。此处磁钢贴片并非直接接触电极，而是在整个收集极筒的最外层，所以磁钢贴片的半径较大。

图1 磁钢贴片示意图

　　假设收集极端盖材料是可伐，磁屏蔽效果好，计算时可忽略再聚焦区磁场的漏磁，同时考虑到收集极外还要加载翼片辐射散热，翼片的存在也限制了贴片弧度不能太大，本文计算时贴片角向对应的圆心角定为45°，并定义L 为贴片轴向长度，D 为径向厚度。对于这样单独的一块磁钢贴片，弧度较小且半径较大，而电子所处位置与贴片有一定距离，所以能影响到电子运动的磁场很小，其磁场分布接近矩形磁钢。

结论

　　本文通过磁钢贴片在收集极内引入非轴对称磁场，利用磁场来改变电子运动轨迹，尽管受磁钢贴片尺寸限制收集极内磁场不大，沿轴磁场峰值仅有几十高斯，但对部分横向运动的原电子和沿轴向返回的低能量二次电子却有明显偏转作用，这有助于收集效率的提高并抑制二次电子回流。结合某一Ku波段行波管多级降压收集极进行的磁场设计，结果显示优化后的磁场回流率显著降低，从2.49% 减小到0.54% ，同时收集效率提高超过3% ，计算效果良好，满足工程上制管要求。需要明确的是，非轴对称磁场对多级降压收集极性能改善起到的是辅助提高作用，要在电场优化得到较高效率的前提下再采用磁场，并根据收集极具体结构和电场分布对磁场优化，最终才能得到理想的设计方案。