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Ka波段分布作用速调管降压收集极设计

王柳亚 丁海兵

王柳亚, 丁海兵. Ka波段分布作用速调管降压收集极设计[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200093
引用本文: 王柳亚, 丁海兵. Ka波段分布作用速调管降压收集极设计[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200093
Wang Liuya, Ding Haibing. Design of depressed collector for Ka-band extended interaction klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200093
Citation: Wang Liuya, Ding Haibing. Design of depressed collector for Ka-band extended interaction klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200093

Ka波段分布作用速调管降压收集极设计

doi: 10.11884/HPLPB202032.200093
详细信息
    作者简介:

    王柳亚(1996—),女,硕士研究生,从事高功率微波源技术研究;wangliuya9604@163.com

    通讯作者:

    丁海兵(1977—),男,博士,研究员,从事高功率微波真空电子器件及微波能应用系统的研究;dinghb@aircas.ac.cn

  • 中图分类号: TN122

Design of depressed collector for Ka-band extended interaction klystron

  • 摘要: 为满足无线传能系统对高效率大功率毫米波功率源的迫切需求,开展大功率连续波速调管高效率技术研究,采用降压收集极技术实现速调管在效率上的有效提升。主要介绍了某Ka波段大功率连续波分布作用速调管(EIK)降压收集极的设计方案,包括注-波互作用后废电子能量分布及行为特性的研究,收集极初始条件、结构及电极电压的设计,给出了单级降压收集极和两级降压收集极的设计和计算结果。三维粒子模拟(PIC)计算结果表明,该Ka波段连续波EIK采用单级降压收集极时回收效率为41.0%,采用两级降压收集极时回收效率为68.8%,EIK总管效率相比于未采用降压收集极技术时的27.5%上升至54.8%,表明通过降压收集极技术可有效提升毫米波大功率速调管工作效率。
  • 图  1  总效率和电子效率、收集极效率的关系

    Figure  1.  Relationship between tube efficiency, electronic efficiency and collector efficiency

    图  2  4级降压收集极的回收功率示意图

    Figure  2.  Recovery power of the four-stage depressed collector

    图  3  废电子电流随时间周期性变化

    Figure  3.  Waste electron current changes periodically with time

    图  4  一个射频周期内携带不同能量的粒子数目统计图

    Figure  4.  Number of particles carrying different energy in one RF cycle

    图  5  一个射频周期内等间隔的8个时间点

    Figure  5.  Eight equal interval points in one RF cycle

    图  6  8等分时间点上携带不同能量的粒子数目统计图

    Figure  6.  Number of particles carrying different electron energy of point 1~8

    图  7  单级降压收集极的结构示意图

    Figure  7.  Structure of one-stage depressed collector

    图  8  未对收集极实施电压降时的电子轨迹

    Figure  8.  Electron beams trajectories in collector without voltage drop

    图  9  单级降压收集极电子轨迹

    Figure  9.  Electron beams trajectories in one-stage depressed collector

    图  10  初始两级降压收集极的结构示意图

    Figure  10.  Structure of initial two-stage depressed collector

    图  11  改进后的二级降压收集极的结构示意图

    Figure  11.  Structure of improved two-stage depressed collector

    图  12  两级降压收集极内的电子轨迹

    Figure  12.  Electron beams trajectories in two-stage depressed collector

    表  1  EIK的主要设计参数

    Table  1.   Main design parameters of the Ka-band extended interaction klystron(EIK)

    frequency/GHzbeam voltage/kVbeam current/Aoutput power of CW/kWefficiency/%gain/dB
    35100.491.3527.554
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    表  2  部分废电子信息

    Table  2.   Information of part of waste electrons

    x position/my position/mz position/m$ {u}_{x} $$ {u}_{y} $$ {u}_{z} $mass/kgcharge/Cmacro particle charge/Ctime/s
    −1.23E−04−2.81E−054.10E−02−1.28E−032.68E−030.1649.10E−31−1.60E−19−2.22E−162.50E−08
    −1.12E−04−5.39E−054.10E−02−1.83E−032.25E−030.1649.10E−31−1.60E−19−2.17E−162.50E−08
    −1.18E−04−3.67E−054.10E−029.95E−04−4.13E−030.1659.10E−31−1.60E−19−2.66E−162.50E−08
    −2.46E−05−2.33E−044.10E−02−7.46E−03−9.42E−030.1649.10E−31−1.60E−19−1.87E−162.50E−08
    −9.48E−05−9.30E−054.10E−023.41E−03−2.00E−030.1649.10E−31−1.60E−19−2.39E−162.50E−08
    −9.44E−05−9.35E−054.10E−023.37E−03−2.01E−030.1649.10E−31−1.60E−19−2.39E−162.50E−08
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    表  3  单级降压收集极的设计参数

    Table  3.   Design parameters of the one-stage depressed collector

    drift length/mmdrift entrance radius/mmdrift exit radius/mmcollector length/mmcollector entrance radius/mmcollector exit radius/mm
    80.450.671.50.95
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    表  4  单级降压收集极的回收效率、回流率与压降的关系

    Table  4.   Relationship between recovery efficiency, reflux rate and voltage drop of the one-stage depressed collector

    voltage/kVrecovery efficiency/%electron reflux rate/%
    −3.0260
    −4.0400
    −4.1410.02
    −4.2431.00
    −4.3441.05
    −5.0543.20
    −6.0684.60
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    表  5  初始两级降压收集极的设计参数

    Table  5.   Design parameters of initial two-stage depressed collector

    length/mmentrance radius/mmexit radius/mm
    driftone-stage collectortwo-stage collectordriftone-stage collectortwo-stage collectordriftone-stage collectortwo-stage collector
    831400.350.930.655
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    表  6  改进后的两级降压收集极设计参数

    Table  6.   Design parameters of improved two-stage depressed collector

    length/mmoentrance radius/mmexit radius/mm
    driftone-stage collectortwo-stage collectordriftone-stage collectortwo-stage collectordrift one-stage collectortwo-stage collector
    813.527.5 0.350.76 0.655
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    表  7  优化的各级压降及回收效率

    Table  7.   Design parameters of improved two-stage depressed collector

    voltage of the first stage/kVvoltage of the second stage/kVrecovery efficiency/%
    −4.1 −10 68.8
    −3.7 −9 49.2
    −3.0 −8 53.6
    −2.1 −7 38.7
    −1.5 −6 43.1
    −0.6 −5 37.3
    −4.0 −4 40.0
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    表  8  不同初始条件下的回收效率和整管效率

    Table  8.   Recovery efficiency and tube efficiency under different initial conditions

    initial conditionrecovery efficiency/%tube efficiency/%
    PID 172.457.8
    PID 270.956.1
    PID 364.551.6
    PID 468.854.8
    PID 567.954.1
    PID 666.152.8
    PID 771.356.9
    PID 872.858.2
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-18
  • 修回日期:  2020-06-14
  • 网络出版日期:  2020-07-08

Ka波段分布作用速调管降压收集极设计

doi: 10.11884/HPLPB202032.200093
    作者简介:

    王柳亚(1996—),女,硕士研究生,从事高功率微波源技术研究;wangliuya9604@163.com

    通讯作者: 丁海兵(1977—),男,博士,研究员,从事高功率微波真空电子器件及微波能应用系统的研究;dinghb@aircas.ac.cn
  • 中图分类号: TN122

摘要: 为满足无线传能系统对高效率大功率毫米波功率源的迫切需求,开展大功率连续波速调管高效率技术研究,采用降压收集极技术实现速调管在效率上的有效提升。主要介绍了某Ka波段大功率连续波分布作用速调管(EIK)降压收集极的设计方案,包括注-波互作用后废电子能量分布及行为特性的研究,收集极初始条件、结构及电极电压的设计,给出了单级降压收集极和两级降压收集极的设计和计算结果。三维粒子模拟(PIC)计算结果表明,该Ka波段连续波EIK采用单级降压收集极时回收效率为41.0%,采用两级降压收集极时回收效率为68.8%,EIK总管效率相比于未采用降压收集极技术时的27.5%上升至54.8%,表明通过降压收集极技术可有效提升毫米波大功率速调管工作效率。

English Abstract

王柳亚, 丁海兵. Ka波段分布作用速调管降压收集极设计[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200093
引用本文: 王柳亚, 丁海兵. Ka波段分布作用速调管降压收集极设计[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200093
Wang Liuya, Ding Haibing. Design of depressed collector for Ka-band extended interaction klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200093
Citation: Wang Liuya, Ding Haibing. Design of depressed collector for Ka-band extended interaction klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200093
  • 相较于传统微波频段,毫米波工作频率高,发射和接受天线及相关的微波器件尺寸小、重量轻、搭载方便,近几十年来,随着毫米波技术的进步,促进了毫米波在各个领域的应用,不仅可应用于通信、成像、雷达等方面,还可应用于平流层飞艇、微纳卫星、月球车、无人机等无线传能应用场景[1-3]。毫米波无线传能系统要求其毫米波功率源具有较高的连续波输出功率和效率。分布作用速调管(EIK)采用多间隙谐振腔结构,有效提高了特性阻抗、减少了高频击穿的可能,能够在高频段产生高功率输出,特别适合在毫米波段工作[4-6]。在毫米波段、点频、连续波工作条件下,EIK可作为无线传能系统的毫米波功率源,能够满足大功率、高效率和长时间稳定工作的技术要求。

    降压收集极技术,通过给收集极提供一个低于管体或螺旋线的电压,进入收集极的电子在电场力的作用下做减速运动,撞击到收集极上时电子速度降低,从而减小了热损耗,提升了效率。降压收集极技术已在行波管中得到广泛应用,可回收近80%的废电子能量[7],大幅提升其总效率。然而对速调管采用降压收集极技术的研究却鲜见报道,首先因为国内对速调管降压收集极的研究起步较晚,其次传统速调管的功率量级(百kW,MW)远大于行波管,所需的电源功率远大于行波管电源,其降压收集极技术的应用受到电源的一定限制,然后速调管通常应用于地面和车载舰载系统,相对于空间需求,采用降压收集极提升效率没有行波管那么迫切,此外,速调管由于采用谐振腔群聚,电子注-波互作用更为剧烈,互作用后的电子速度零散较为严重,增大了降压收集极的设计难度,效率的提升效果也不如行波管明显。综合这些因素,导致较少应用降压收集极技术在速调管上。然而随着工作频率的提高,特别到了毫米波段,速调管的功率量级降低,有利于电源的实现,还可采用分布作用技术来减轻电子的速度零散,分布作用谐振腔相较于重入式谐振腔速度零散没有那么严重,同时应用场景也对效率提出了更高的要求,所以发展速调管降压收集极技术是趋势。本文首先介绍了降压收集极的设计原理,然后基于废电子能量分布及行为特性的研究,给出了某Ka波段大功率EIK降压收集极的设计方案及相应的结果。

    • 以中国科学院空天信息创新研究院(原中国科学院电子学研究所)已有的Ka波段大功率连续波EIK为设计模型[8-9],开展降压收集极的研制工作。该EIK的主要设计参数如表1所示。

      表 1  EIK的主要设计参数

      Table 1.  Main design parameters of the Ka-band extended interaction klystron(EIK)

      frequency/GHzbeam voltage/kVbeam current/Aoutput power of CW/kWefficiency/%gain/dB
      35100.491.3527.554

      在未搭载降压收集极时,该EIK的总效率为27.5%。理想情况下,即忽略截获损耗、线路损耗、谐波、交调损耗等,仅考虑电子注从开始与高频互作用之前到被降压收集极所收集的过程中,EIK的总效率$ {\eta }_{\mathrm{o}\mathrm{v}} $计算公式为

      $$ {\eta }_{\mathrm{o}\mathrm{v}}=\frac{{P}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}}{{P}_{\mathrm{o}}-{P}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}}}=\frac{{\eta }_{\mathrm{e}}}{1-{\eta }_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{l}}\left(1-{\eta }_{\mathrm{e}}\right)} $$ (1)

      式中:$ {P}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}} $为速调管高频输出功率;$ {P}_{\mathrm{o}} $为电子枪处的电子注功率;$ {P}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}} $为收集极回收的功率;$ {\eta }_{\mathrm{e}} $为电子效率,即将电子注功率转化为高频功率的效率;$ {\eta }_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{l}} $为收集极回收效率。

      由式(1)可知当速调管未搭载收集极时,理想情况下其总效率的高低取决于电子效率,两者近似相等,而为速调管搭载降压收集极后,总效率还受收集极回收效率的影响,随收集极回收效率的增大而增大。速调管的总效率与电子效率及收集极回收效率的关系如图1所示。由图1可看出,当电子效率不变时,回收效率增大,总效率得到显著提升。因此,为获得高效率的EIK,考虑为速调管搭载合适的降压收集极以获得高的回收效率。

      图  1  总效率和电子效率、收集极效率的关系

      Figure 1.  Relationship between tube efficiency, electronic efficiency and collector efficiency

      收集极效率$ {\eta }_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{l}} $定义为收集极回收的功率$ {P}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}} $与互作用后的电子注功率$ {P}_{\mathrm{s}\mathrm{p}} $的比[10],即

      $$ {\eta }_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{l}}=\frac{{P}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}}}{{P}_{\mathrm{s}\mathrm{p}}}=\frac{{P}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}}}{{P}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}}+{P}_{\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{t}}} $$ (2)

      式中:$ {P}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}} $为收集极回收的功率;$ {P}_{\mathrm{s}\mathrm{p}} $为互作用后的电子注功率;$ {P}_{\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{t}} $为收集极耗散的热功率;互作用后的电子注功率$ {P}_{\mathrm{s}\mathrm{p}} $等于收集极回收的功率$ {P}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}} $与收集极耗散的热功率$ {P}_{\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{t}} $之和。

      收集极回收的功率与收集极的电位相关。若收集极电位与管体电位相等,那么注波互作用后的废电子进入收集极后将会在空间电荷力的作用下发散,高速撞击到收集极上,废电子的能量转化为热能直接损耗掉,造成能量浪费。通过提供给收集极一个或多个低于互作用区的电位,使得电子进入收集极后在电场力的作用下减速,轰击到收集极上的电子速度降低,撞击所产生的热量减小,相当于回收了部分废电子的能量,不仅提高了速调管效率,还减小了收集极的散热压力。图2中的曲线为注波互作用后的废电子能量谱分布曲线,该曲线与横纵坐标围成的面积即为互作用后的电子注功率$ {P}_{\mathrm{s}\mathrm{p}} $。采用单级降压收集极,可回收的最大功率为$ {P}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}}={I}_{1}{V}_{1} $;采用n级降压收集极,回收功率为收集极各级回收到的能量总和,即

      图  2  4级降压收集极的回收功率示意图

      Figure 2.  Recovery power of the four-stage depressed collector

      $$ {P}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}}={I}_{1}{V}_{1}+\sum _{\mathrm{i}=2}^{\mathrm{n}}{I}_{i}\left({V}_{i}-{V}_{i-1}\right) $$ (3)

      式中:$ {V}_{i} $为收集极第i级的电压;$ {I}_{i} $为收集极第i级所收集的电流。

      图2为4级降压收集极的回收功率示意图,其回收的功率

      $$ {P}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{c}}={I}_{1}{V}_{1}+{I}_{2}({V}_{2}-{V}_{1})+{I}_{3}{(V}_{3}-{V}_{2})+{I}_{4}({\mathrm{V}}_{4}-{V}_{3}) $$

      降压收集极的级数并不是越多越好,当多级降压收集极的级数大于4时,回收效率增加并不明显,故收集极级数一般不超过4级。

      衡量收集极性能的另一个重要指标是电子回流率。电子回流率定义为回流的电子数目与进入收集极的电子总数之比。回流的电子可能再次进入互作用区与高频电磁波发生作用,影响微波管的输出特性,甚至可能损坏高频系统。此外,在收集极的设计中需面对的最大问题是二次电子返流,经注波互作用后的废电子能量分布广泛,很难全部被收集极收集,当具有一定能量的电子撞击金属表面时,可能引发二次电子。二次电子过多,将增大电子的回流率,甚至可能产生噪声、烧毁微波管。通过使用低发射系数的电极材料、合理设计收集极的结构尺寸和各级压降使电场分布更为合理,减少二次电子的产生,尽可能降低收集极的电子回流率。

    • 在设计降压收集极之前,首先需要对收集极入口处的废电子能量分布及行为特性进行分析,即分析经过注-波互作用后高频互作用段出口处(即收集极入口处)的电子状态。对于不同输出功率和互作用效率的速调管,飞离高频系统输出端的电子状态也各不相同,因此对废电子的能量分布及行为特性进行研究至关重要,是影响降压收集极性能设计的关键性因素[11-15]

      在高频系统PIC仿真中,通过设置监视器观察到的废电子电流随时间的变化曲线如图3所示,可看出当输出波形稳定后,废电子电流随时间呈周期性变化,周期长度与射频周期一致,因此可以用一个射频周期的电子数据来代表所有废电子的数据。若能最大化地回收一个射频周期的电子能量,那么总体的废电子能量回收也将达到最大。选取输出功率稳定后的时间点70 ns处作为起始点,提取出一个射频周期的全部电子数据,电子总数共计31 059个。注波互作用后的废电子信息包含粒子的x坐标、y坐标、z坐标,粒子在x方向、y方向、z方向上的动量,电荷量,粒子所对应的宏粒子电荷量及粒子所处的时间。随机提取出其中的一部分如表2所示,其中动量用u表示,是一个无单位的数值,定义为归一化速度$ \beta $与洛伦兹参数$ \gamma $的乘积,即

      表 2  部分废电子信息

      Table 2.  Information of part of waste electrons

      x position/my position/mz position/m$ {u}_{x} $$ {u}_{y} $$ {u}_{z} $mass/kgcharge/Cmacro particle charge/Ctime/s
      −1.23E−04−2.81E−054.10E−02−1.28E−032.68E−030.1649.10E−31−1.60E−19−2.22E−162.50E−08
      −1.12E−04−5.39E−054.10E−02−1.83E−032.25E−030.1649.10E−31−1.60E−19−2.17E−162.50E−08
      −1.18E−04−3.67E−054.10E−029.95E−04−4.13E−030.1659.10E−31−1.60E−19−2.66E−162.50E−08
      −2.46E−05−2.33E−044.10E−02−7.46E−03−9.42E−030.1649.10E−31−1.60E−19−1.87E−162.50E−08
      −9.48E−05−9.30E−054.10E−023.41E−03−2.00E−030.1649.10E−31−1.60E−19−2.39E−162.50E−08
      −9.44E−05−9.35E−054.10E−023.37E−03−2.01E−030.1649.10E−31−1.60E−19−2.39E−162.50E−08

      图  3  废电子电流随时间周期性变化

      Figure 3.  Waste electron current changes periodically with time

      $$ u=\beta \gamma $$ (4)

      式中:$ \beta $为归一化速度,等于粒子速度v与光速c的比值;$ \gamma $为洛伦兹参数,定义为$ \gamma =\dfrac{1}{\sqrt{1-{\beta }^{2}}} $

      运动电子携带的能量E与动量u的换算关系[9]

      $$ E=\left(\sqrt{{u}_{x}^{2}+{u}_{y}^{2}+{u}_{z}^{2}+1}-1\right){m}_{0}\frac{{c}^{2}}{e} $$ (5)

      式中:$ {u}_{x} $$ {u}_{y} $$ {u}_{z} $分别为粒子在$ x $方向、$ y $方向、$ z $方向上的动量;$ {m}_{0} $e分别为电子的质量和电荷量;c为光在真空中的传播速度,取$ {3\times 10}^{8}\;\mathrm{m}/\mathrm{s} $,计算所得的量纲为eV。

      利用Python软件对废电子信息进行处理,统计出一个射频周期内携带不同能量的粒子数目如图4所示,可看出该Ka波段EIK互作用后携带能量为6~7 keV的粒子数最多,其次是携带能量为5~6 keV和12~13 keV的粒子数较多。

      图  4  一个射频周期内携带不同能量的粒子数目统计图

      Figure 4.  Number of particles carrying different energy in one RF cycle

    • 若采用一个射频周期内全部31 059个粒子数据作为收集极的初始条件来设计收集极,将会使得PIC程序运行十分缓慢,仿真计算时间过长,不利于收集极的初始设计与调试。为节省仿真时间,提取出一个射频周期内等间隔的8个时间点分别进行研究,如图5所示。

      图  5  一个射频周期内等间隔的8个时间点

      Figure 5.  Eight equal interval points in one RF cycle

      分别导出8个等间隔时间点的粒子数据,利用Python软件根据式(3)进行处理,统计出各个时间点(PID 1~PID 8)上的粒子能量分布,如图6所示。横坐标代表粒子的能量分布区间,纵坐标表示粒子的数目。分析后选用一个速度零散最为严重的点,即PID 4来作为收集极的入口参数文件。该点粒子携带能量分布广,涉及7个能量分布区且与整个射频周期内的整体情况比较一致,故选用该点作为收集极的初始条件,进行收集极仿真设计和优化,初步获得该条件下的收集极最佳结构及压降设置,再将其余各时间点分别作为初始条件代入该结构进行验证,若都能获得良好的回收效率,则可证明选用速度零散最为严重的时间点的数据来作为收集极的初始条件进行设计是可行的。

      图  6  8等分时间点上携带不同能量的粒子数目统计图

      Figure 6.  Number of particles carrying different electron energy of point 1~8

    • 收集极采用常用的轴对称结构,调整收集极形状、尺寸的依据是让粒子尽可能均匀地打在收集极上,能量低的粒子打在收集极前部,高能量粒子打在收集极后部;对多级降压收集极,尽可能让更多粒子打在后几级上。单级降压收集极的设计参数如表3所示,结构示意图见图7

      表 3  单级降压收集极的设计参数

      Table 3.  Design parameters of the one-stage depressed collector

      drift length/mmdrift entrance radius/mmdrift exit radius/mmcollector length/mmcollector entrance radius/mmcollector exit radius/mm
      80.450.671.50.95

      图  7  单级降压收集极的结构示意图

      Figure 7.  Structure of one-stage depressed collector

      在PIC仿真中,收集极材料设置为理想导体PEC,阴极设置为负高压,管体设置为零电位,所有的电压都是相对于管体进行测量。压降设置为0时,Ka波段EIK单极降压收集极区域的电子轨迹分布如图8所示。此时,收集极回收的功率为0,电子的动量转化为热能耗散在收集极管壁上。收集极无压降时耗散的热功率即互作用后的废电子注功率。

      图  8  未对收集极实施电压降时的电子轨迹

      Figure 8.  Electron beams trajectories in collector without voltage drop

      逐渐增大单级收集极的压降设置,得到的回收效率和电子回流率如表4所示。

      表 4  单级降压收集极的回收效率、回流率与压降的关系

      Table 4.  Relationship between recovery efficiency, reflux rate and voltage drop of the one-stage depressed collector

      voltage/kVrecovery efficiency/%electron reflux rate/%
      −3.0260
      −4.0400
      −4.1410.02
      −4.2431.00
      −4.3441.05
      −5.0543.20
      −6.0684.60

      表4可知,随压降的增大,收集极的效率增大,但电子回流率也随之增大,当压降大于4.2 kV时,电子回流率达到1%。为得到较高的回收效率且尽量降低回流电子对速调管性能的影响,电子回流率选取不大于0.1%。实际制管中可采用低二次电子发射系数材料在收集极表面进行涂覆以减少二次电子的产生、降低电子回流率。当收集极采用4.1 kV的电压降,此时单极降压收集极的回收效率为41%,电子回流率0.02%,单极降压收集极中的电子轨迹如图9所示。

      图  9  单级降压收集极电子轨迹

      Figure 9.  Electron beams trajectories in one-stage depressed collector

    • 初始两级降压收集极的设计结构沿用上述单级降压收集极的结构,沿轴线切断成两级。在不降压时,调节两级长度,使电子尽可能多地打到第二级收集极上。当第一级收集极长31 mm,第二级收集极长40 mm时,未降压时收集极的电子几乎都打在第二级上,两级间距离调整后确定为0.5 mm,收集极末端改用锥形结构来改变原电场的分布以减小二次电子的发射。初始两级降压收集极的设计参数如表5所示,结构示意图见图10

      表 5  初始两级降压收集极的设计参数

      Table 5.  Design parameters of initial two-stage depressed collector

      length/mmentrance radius/mmexit radius/mm
      driftone-stage collectortwo-stage collectordriftone-stage collectortwo-stage collectordriftone-stage collectortwo-stage collector
      831400.350.930.655

      图  10  初始两级降压收集极的结构示意图

      Figure 10.  Structure of initial two-stage depressed collector

      结合电子轨迹的情况不断改进,发现收集极末端的锥形结构对二次电子的影响并不大;多次调节收集极各级的开口半径,发现适当增加第二级的开口半径,不仅没有增大回流率,还可提升收集极的回收效率。此外适当缩短了收集极的长度,进一步提高了回收效率,且有利于减小EIK的体积。改进后的两级降压收集极的设计参数及结构示意图如表6图11所示。

      表 6  改进后的两级降压收集极设计参数

      Table 6.  Design parameters of improved two-stage depressed collector

      length/mmoentrance radius/mmexit radius/mm
      driftone-stage collectortwo-stage collectordriftone-stage collectortwo-stage collectordrift one-stage collectortwo-stage collector
      813.527.5 0.350.76 0.655

      图  11  改进后的二级降压收集极的结构示意图

      Figure 11.  Structure of improved two-stage depressed collector

      在确定两级压降的设置时,采用第二级电压固定,第一级电压扫描的方法。首先固定第二级电压为−10 kV,扫描收集极第一级电压从0 V至−10 kV,间隔为−1 kV,可得不同第一级电压条件下收集极内的电子状态。仿真结果表明,当收集极第一级压降大于等于5 kV时,电子回流率超过了4%。再依次扫描收集极第一级电压从−4 kV至−5 kV,间隔为−0.1 kV。当第一级电压设置为−4.1 kV时,收集极的回收效率最大为68.8%,回流率为0.05%小于0.1%,符合条件。然后分别固定第二级电压为−9,−8,−7,−6,−5,−4 kV依次进行上述操作,在回流率低于0.1%的情况下,比较各自的最大回收效率,如表7所示。

      表 7  优化的各级压降及回收效率

      Table 7.  Design parameters of improved two-stage depressed collector

      voltage of the first stage/kVvoltage of the second stage/kVrecovery efficiency/%
      −4.1 −10 68.8
      −3.7 −9 49.2
      −3.0 −8 53.6
      −2.1 −7 38.7
      −1.5 −6 43.1
      −0.6 −5 37.3
      −4.0 −4 40.0

      因此,最终收集极的第一级电压设置为−4.1 kV,第二级电压设置为−10 kV,其收集极内的电子轨迹如图12所示。此时的回收功率为2.44 kW,回收效率为68.8%,速调管的总效率为54.8%,较未采用降压收集极时27.5%的EIK总效率有了明显提升。

      图  12  两级降压收集极内的电子轨迹

      Figure 12.  Electron beams trajectories in two-stage depressed collector

      将一个射频周期内等分的除PID 4的剩余7个时间点分别作为收集极的初始条件,代入图11所设计的二级降压收集极结构中进行验证,在该收集极第一级压降4.1 kV、第二级压降10 kV的设置保持不变的情况下,得到的降压收集极回收效率和速调管整管效率如表8所示, 可看出将8个时间点分别作为初始条件代入设计的两级降压收集极结构都获得了良好的回收效率,且整个射频周期内的8个等时间间隔点的回收效率和整管效率方差值在可接受范围内,说明选用速度零散最为严重的点的数据来作为收集极的初始条件进行设计是完全可行的。

      表 8  不同初始条件下的回收效率和整管效率

      Table 8.  Recovery efficiency and tube efficiency under different initial conditions

      initial conditionrecovery efficiency/%tube efficiency/%
      PID 172.457.8
      PID 270.956.1
      PID 364.551.6
      PID 468.854.8
      PID 567.954.1
      PID 666.152.8
      PID 771.356.9
      PID 872.858.2
    • 本文以正在研制的某型Ka波段连续波EIK为研究对象,开展高效率技术研究,该管设计输出功率达到1.35 kW,总效率为27.5%,通过对废电子能量分布及行为特性的研究,设计了单级降压收集极和二级降压收集极的结构及电极电压。PIC仿真结果表明,采用二级降压收集极结构后,该大功率EIK的收集极回收效率可达到68.8%,总管效率从不降压时的27.5%提升至54.8%。设计难点在于对收集极初始条件的设置,选用了随时间周期性变化的一个射频周期内的粒子数据代表整个互作用后的废电子数据,简化降压收集极的设计。为节省仿真时间,将一个射频周期等分为8个等间隔时间点,然后选择速度零散最为严重的时间点作为收集极的入口参数文件,进行收集极仿真设计。在该入口参数下,通过仿真计算和优化,获得了收集极的最佳结构和电极压降设置,并将剩余各时间点分别作为收集极初始条件带入进行验证,PIC计算结果表明不同时间点入口参数下,该降压收集极均能获得良好的回收效率。下一步将在该管及其降压收集极的设计基础上,开展样管研制,进行大功率实验验证。

参考文献 (15)

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