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毫米波速调管电子光学系统的研究

冯海平 韦莹 孙福江 杨继涛

冯海平, 韦莹, 孙福江, 等. 毫米波速调管电子光学系统的研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200208
引用本文: 冯海平, 韦莹, 孙福江, 等. 毫米波速调管电子光学系统的研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200208
Feng Haiping, Wei ying, Sun Fujiang, et al. Design of electron optics system for millimeter wave klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200208
Citation: Feng Haiping, Wei ying, Sun Fujiang, et al. Design of electron optics system for millimeter wave klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200208

毫米波速调管电子光学系统的研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200208
基金项目: 预研项目(315120101)
详细信息
    作者简介:

    冯海平(1983—),女,硕士,高级工程师,从事速调管的研究;13581688852@139.com

  • 中图分类号: TN122

Design of electron optics system for millimeter wave klystron

  • 摘要: 电子光学系统是毫米波速调管长寿命和整管性能实现的关键,毫米波速调管零件尺寸较小,为了在Ka波段和W波段实现千瓦量级的输出功率,要求具有高的电子注通过率及低的阴极负荷。对Ka波段和W波段电子光学系统特性进行了分析,确定了Ka波段10 kW分布作用速调管和W波段1 kW分布作用速调管电子光学系统的设计方案,利用软件对电子枪和聚焦系统的结构进行计算,并采用CST仿真软件对设计的电子枪发射的电子注在聚焦磁场中的状态进行优化。设计出的Ka波段速调管电子光学系统,电子枪工作电压26 kV,发射电流2 A,互作用区长度30 mm,磁场强度大于0.6 T,流通达到100%。设计的W波段速调管电子光学系统,电子枪工作电压17 kV,电流0.65 A,互作用去长度20 mm,磁场大于0.9 T,流通达到100%。已制成Ka波段速调管和W波段速调管,设计的电子光学系统能够满足速调管工程化的实现。
  • 图  1  皮尔斯电子枪

    Figure  1.  Pierce electron gun

    图  2  Ka波段速调管二维计算电子注状态

    Figure  2.  2D-Beam trajectory in Ka-band klystron

    图  3  Ka波段速调管三维计算电子注状态

    Figure  3.  3D-Beam trajectory in Ka-band klystron

    图  4  W波段速调管电子注三维计算结果

    Figure  4.  3D-Beam trajectory in W-band klystron

    图  5  Ka波段速调管轴向磁场分布

    Figure  5.  Magnetic field distribution along the axis in Ka-band klystron

    图  6  阴极发射电子与磁场重合状态

    Figure  6.  Matching state of electron and magnetic field

    图  7  W波段速调管轴向磁场分布

    Figure  7.  Magnetic field distribution along the axis inW-band klystron

    图  8  Ka波段速调管电子注在磁场中的状态

    Figure  8.  Beam trajectory with magnetic field in Ka-band klystron

    图  9  W波段速调管电子注在磁场中的状态

    Figure  9.  Beam trajectory with magnetic field in W-band klystron

    图  10  Ka波段速调管照片

    Figure  10.  Ka-band klystron photo

    图  11  W波段速调管照片

    Figure  11.  W-band klystron photo

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-20
  • 修回日期:  2020-09-11
  • 网络出版日期:  2020-09-16

毫米波速调管电子光学系统的研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200208
    基金项目:  预研项目(315120101)
    作者简介:

    冯海平(1983—),女,硕士,高级工程师,从事速调管的研究;13581688852@139.com

  • 中图分类号: TN122

摘要: 电子光学系统是毫米波速调管长寿命和整管性能实现的关键,毫米波速调管零件尺寸较小,为了在Ka波段和W波段实现千瓦量级的输出功率,要求具有高的电子注通过率及低的阴极负荷。对Ka波段和W波段电子光学系统特性进行了分析,确定了Ka波段10 kW分布作用速调管和W波段1 kW分布作用速调管电子光学系统的设计方案,利用软件对电子枪和聚焦系统的结构进行计算,并采用CST仿真软件对设计的电子枪发射的电子注在聚焦磁场中的状态进行优化。设计出的Ka波段速调管电子光学系统,电子枪工作电压26 kV,发射电流2 A,互作用区长度30 mm,磁场强度大于0.6 T,流通达到100%。设计的W波段速调管电子光学系统,电子枪工作电压17 kV,电流0.65 A,互作用去长度20 mm,磁场大于0.9 T,流通达到100%。已制成Ka波段速调管和W波段速调管,设计的电子光学系统能够满足速调管工程化的实现。

English Abstract

冯海平, 韦莹, 孙福江, 等. 毫米波速调管电子光学系统的研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200208
引用本文: 冯海平, 韦莹, 孙福江, 等. 毫米波速调管电子光学系统的研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200208
Feng Haiping, Wei ying, Sun Fujiang, et al. Design of electron optics system for millimeter wave klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200208
Citation: Feng Haiping, Wei ying, Sun Fujiang, et al. Design of electron optics system for millimeter wave klystron[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200208
  • 毫米波是指波长在1~10 mm,频率通常认为在26.5~300 GHz的电磁波,具有波长短、频带宽的特点。由于其波长较短,毫米波设备具有体积小、重量轻和机动性强的特点。毫米波在大气中衰减严重,但毫米波在大气中传播时,气体分子谐波吸收所致的某些衰减较小的频率,形成了四个“大气窗口”,频率分别为35,95,140和220 GHz。近年来,各国充分利用毫米波在四个频率相对大的大气穿透能力,大力发展毫米波器件,使毫米波器件在通信、雷达、气象、制导等领域得到了广泛的应用[1-2]。电子光学系统是毫米波分布作用速调管的重要组成部分,是速调管性能及长寿命实现的关键。对于毫米波速调管,零件尺寸相对较小,阴极尺寸受到限制,而为了满足整机使用寿命的要求,阴极负荷又不能太高。目前在工程应用的高功率毫米波速调管设计中为了降低阴极负荷,在设计中多采用了大压缩比Pierce电子枪结构。压缩比提高后,电子注的空间电荷力提高,整管聚焦的难度增加,为了保证高流通的实现,需设计与电子枪相匹配的聚焦系统,保证整管高可靠性。本文将从电子光学系统的理论出发,对Ka波段10 kW速调管和W波段1 kW速调管的电子光学系统的特性进行分析,分别对电子枪和聚焦系统进行了设计,设计出满足整管的需求电子光学系统。

    • 对于单注电子枪设计时,一般采用了轴对称收敛型Pierce电子枪,其设计思想是在球形二极管的电子流中,切除一部分构成电子注,被切掉的电子流用外电极代替[3],Vaughan,Sharma等人利用迭代综合法形成了完整的Pierce电子枪设计理论[4-6]图1为Pierce电子枪示意图。图中dKa为阴极和阳极之间的轴向距离,ra为阳孔半径,rK为阴极半径,RKRa分别为阴极曲率半径和阳极曲率半径,θ为阴极半锥角。dKa对电子枪的导流系数影响很大,RKRa主要影响电子注注腰的尺寸和位置,除此之外,聚焦极尺寸和形状也会电子注产生影响。在实际电子枪设计中,需要根据实际设计要求来调整各电极尺寸,设计出满足速调管要求的电子枪。

      图  1  皮尔斯电子枪

      Figure 1.  Pierce electron gun

    • 所设计的Ka波段10 kW分布作用速调管对电子枪的要求[7]:阴调,工作电压26 kV,阴极发射电流2 A,阴极发射密度不大于8 A/cm2,电子注通道半径0.65 mm。目前电真空器件的计算软件,三维软件计算结果更准确,但设计时直接采用三维软件,对计算机要求较高,计算时间也较长,速调管设计的周期较长。因此设计过程中采用二维软件初步确定结构,再利用三维软件进行验证。在电子枪在设计过程中,主要是从影响速调管性能参数的发射电流、导流系数、阴极负荷、压缩比等参数出发,利用二维计算软件对电子枪不断优化,包括阴极、聚焦极和阳极的形状尺寸及各电极间的距离,二维计算结果最后代入到三维计算软件中,最终获得满足设计要求的电子枪,优化后rK为3 mm,θ为31°,RK为5.5 mm,Ra为2.4 mm,图2为二维计算电子注的状态。图3为三维计算电子注状态。

      图  2  Ka波段速调管二维计算电子注状态

      Figure 2.  2D-Beam trajectory in Ka-band klystron

      图  3  Ka波段速调管三维计算电子注状态

      Figure 3.  3D-Beam trajectory in Ka-band klystron

      从计算中可以得到电子枪的导流系数为0.497 μP,阴极负荷为7.1 A/cm2,,电子注的层流性好。

    • W波段速调管电子枪与Ka波段速调管电子枪设计方法相同。所设计的W波段1 kW分布作用速调管对电子枪的要求:阴调,工作电压17 kV,阴极发射电流0.65 A,阴极发射密度不大于6 A/cm2,电子注通道半径0.25 mm,电子注通道更小,对电子注状态要求更高。同样利用计算软件对电子枪不断优化得到各电极尺寸及间距,最终获得满足设计要求的电子枪,三维计算结果的准确性高于二维结果,此处将三维结果作为依据,图4为W波段速调管电子枪三维计算结果。此时rK为2 mm,θ为15°,RK为8 mm,Ra为2.3 mm,从计算中可以得到电子枪的阴极负荷为5.12 A/cm2,导流系数为0.301 μP,电子注的层流性好。

      图  4  W波段速调管电子注三维计算结果

      Figure 4.  3D-Beam trajectory in W-band klystron

    • 阴极发射出来的电子注,在空间电荷力的作用将发散,为了保持电子注的形状和尺寸,需要外加磁场。此时运动的电子注受到三个力的作用:电子注绕轴旋转的向心力、空间电荷力和磁场产生的径向聚焦力,当各层电子受力平衡,三个作用力平衡,即:FFF=0,此时电子注波动最小,通过推导可得到维持电子注聚焦的所需磁感应强度为[8-10]

      $${B_0} = \frac{1}{{{r_0}{{\left( {1 - K} \right)}^{1/2}}}}\frac{{830{I^{1/2}}}}{{U_{}^{1/4}}}$$

      式中:r0为电子注平衡半径;K为屏蔽系数,当K=0时维持电子注聚焦的最小磁感应强度为布里源磁场Bb

      电子枪聚焦方式分为布里渊流、部分屏蔽流和浸没流三种[11],浸没流要求聚焦磁场强度大于布里渊磁场的2.5倍,磁场强度高,实现比较困难,制管中基本不用;部分屏蔽流所需聚焦磁场通常为布里渊磁场的1.7~2.5倍,电子注波动小,容易获得高流通,在单注大功率速调管中较为常见,此时要求阴极发射出电子注轨迹与磁场重合;布里渊流所需聚焦磁场为布里渊磁场的1.3~1.7倍,电子注波动较小,阴极面无磁场,容易实现,常用于多注速调管中。

    • 根据Ka波段分布作用速调管电子枪计算参数,得到布里源磁场强度为0.3 T,部分屏蔽流电子注波动小,容易获得高流通,单注大功率速调管中如条件允许均采用此种聚焦方式,同时也有利于整管高功率的实现。在Ka波段10 kW分布作用速调管中采用了部分屏蔽流方式,根据制管经验,选取2倍布里渊磁场,此时所需聚焦磁场强度为0.6 T,为了获得满足要求的均匀区磁场强度,采用了双极筒形磁场结构[12]图5为计算的轴向磁场分布。

      图  5  Ka波段速调管轴向磁场分布

      Figure 5.  Magnetic field distribution along the axis in Ka-band klystron

      在部分屏蔽流聚焦方式中,为了获得整管高流通的实现,需要保证电子注轨迹与聚集磁场重合,在设计过程中需要调整电子枪磁屏的高度、磁屏口的大小及厚度[13]。当电子枪磁屏高度为35 mm,磁屏口直径为15 mm,磁屏口厚度为2 mm时,阴极发射的电子轨迹与磁场重合,图6为电子轨迹与磁场重合状态示意图。

      图  6  阴极发射电子与磁场重合状态

      Figure 6.  Matching state of electron and magnetic field

    • 根据W波段速调管电子枪计算参数,得到布里源磁场强度为0.63 T,如仍采用同Ka波段速调管相同的部分屏蔽流,所需要的磁场强度大于1.26 T,目前永磁铁的特性实现困难,因此W波段速调管只能采用对磁场强度要求较低的完全屏蔽流。根据以往设计经验,所需均匀区磁场为布里源磁场的1.5倍,磁场强度大于0.945 T以上,阴极面磁场应小于0.0025 T[14]。W波段速调管聚焦磁场设计时仍采用了磁场强度较高的双极筒形磁场结构,图7为磁场计算结果,均匀区磁场强度大于0.95 T以上,阴极面磁场小于0.0010 T。

      图  7  W波段速调管轴向磁场分布

      Figure 7.  Magnetic field distribution along the axis inW-band klystron

    • 在电子光学系统设计中,除了满足参数要求的电子枪和聚焦系统设计外,还需要模拟电子注在聚集磁场中的状态,利用CST软件中粒子计算软件模拟所涉及电子枪发射的电子在聚焦磁场中的状态,图8为Ka波段速调管电子光学系统模拟结果。图9为W波段分布作用速调管电子光学系统模拟结果。

      图  8  Ka波段速调管电子注在磁场中的状态

      Figure 8.  Beam trajectory with magnetic field in Ka-band klystron

      图  9  W波段速调管电子注在磁场中的状态

      Figure 9.  Beam trajectory with magnetic field in W-band klystron

    • 根据电子枪和聚焦系统设计尺寸,加工零件,制成整管,对电子枪、聚焦系统及电子注的流通进行了测试,图10为制成的整管照片。测试该速调管聚焦磁场均匀区强度大于0.62 T,高压26 kV下,发射电流为1.8 A,导流系数为0.43 μP,电子注静态流通大于93%,电子枪和聚焦磁场设计与实际基本一致,电子注流通较高,可以满足整管要求,目前该管已制备样机[15]

      图  10  Ka波段速调管照片

      Figure 10.  Ka-band klystron photo

      根据电子枪和聚焦系统设计尺寸,加工零件,制成整管,对电子枪、聚焦系统及电子注的流通进行了测试,图11为制成的W波段速调管照片。测试该速调管聚焦磁场均匀区强度大于0.96 T,高压17 kV下,发射电流为0.65 A,导流系数为0.29 μP,电子注静态流通大于90%,电子枪和聚焦磁场设计与实际基本一致,电子注流通较高,可以满足整管要求。

      图  11  W波段速调管照片

      Figure 11.  W-band klystron photo

    • 本文介绍了Ka波段10 kW分布作用速调管和W波段1 kW分布作用速调管电子光学系统的研究过程,包括了电子枪、聚焦系统及电子注在聚焦系统中的状态,给出了理论分析和设计方案,并进行了制管测试,验证了设计方案的可行性。其中聚焦磁场的计算结果与实际结果相差不大,但电子枪的导流系数存在了一定的差距,主要原因是计算尺寸为电子枪的冷态尺寸,热状态下零件间的尺寸关系会发生改变,需要后续进行调整。Ka波段和W波段速调管电子光学系统的研制为更高频率速调管的研究提供了借鉴和参考。

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