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反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管

左向华 万知之 崔萌 刘静 董成龙

左向华, 万知之, 崔萌, 等. 反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 103011. doi: 10.11884/HPLPB202032.200225
引用本文: 左向华, 万知之, 崔萌, 等. 反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 103011. doi: 10.11884/HPLPB202032.200225
Zuo Xianghua, Wan Zhizhi, Cui Meng, et al. C-band high-power multi-beam klystron with reverse permanent magnet[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 103011. doi: 10.11884/HPLPB202032.200225
Citation: Zuo Xianghua, Wan Zhizhi, Cui Meng, et al. C-band high-power multi-beam klystron with reverse permanent magnet[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 103011. doi: 10.11884/HPLPB202032.200225

反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管

doi: 10.11884/HPLPB202032.200225
详细信息
    作者简介:

    左向华(1982—),女,硕士,高工,从事真空电子器件的研究;hua1082@eyou.net

  • 中图分类号: TN122

C-band high-power multi-beam klystron with reverse permanent magnet

  • 摘要: 反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管作为加速器系统的功率源,具有脉冲输出功率高、平均功率大、寿命长的优势,在工业辐照、放射治疗、无损检测等领域具有广阔的应用前景。设计并研发了一种可用于加速器系统的反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管。其电子光学系统采用多电子注、周期反转永磁聚焦技术,高频系统工作在TM220高次模式、多腔参差调谐,散热采用水冷方式。通过计算确定了结构参数,研制出速调管样管,通过测试,获得了大于3 MW的峰值输出功率,和计算结果相吻合。
  • 图  1  利用EGUN软件模拟计算的单个电子注轨迹图

    Figure  1.  Single electron beam trajectories simulated by EGUN software

    图  2  三维软件模拟计算的多电子注轨迹图

    Figure  2.  Simulated multi electron beam trajectories

    图  3  模拟计算时的磁场1/8模型

    Figure  3.  1/8 models of magnetic field in simulated computation

    图  4  对磁场模型模拟计算出的磁场曲线

    Figure  4.  Simulated magnetic field curve

    图  5  EGUN软件模拟计算的单个电子注电子光学轨迹图

    Figure  5.  Electron optical trajectories of single electron beam simulated by EGUN software

    图  6  三维粒子计算软件模拟多电子注的聚焦情况

    Figure  6.  Simulation of multi electron beam focusing by 3D particle computing software

    图  7  TM220工作模式的电场矢量图

    Figure  7.  Electric field vector diagram of TM220 mode

    图  8  样管的输出功率曲线

    Figure  8.  Output power curve of tubes

    图  9  样管在5712 MHz的输入激励和输出功率

    Figure  9.  Input power and output power of tubes at 5712 MHz

    图  10  1#管的激励功率和输出功率曲线

    Figure  10.  Input power vs output power of tube 1#

    图  11  样管照片

    Figure  11.  Photo of a sample tube

    图  12  应用该速调管样管搭建的加速器测试系统

    Figure  12.  The accelerator test system built with the klystron sample tube

    表  1  主要的技术参数

    Table  1.   Main technical parameters of the klystron

    frequency/MHzVoltage/kVelectric current/Abandwidth/MHzpeak power/MWaverage power/kWgain/ dBefficiency/ %
    5712≤50≤15030≥3≥6≥45≥40
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    表  2  矩形谐振腔谐振模式

    Table  2.   Resonant mode of rectangular cavity

    No.modefrequency/MHzpolar direction
    1TM0104107
    2TM2104879x
    3TM2104890y
    4TM2205712
    5TM3108345x
    6TM3108850y
    下载: 导出CSV
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图(12) / 表 (2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-31
  • 修回日期:  2020-09-20
  • 网络出版日期:  2020-09-25
  • 刊出日期:  2020-09-29

反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管

doi: 10.11884/HPLPB202032.200225
    作者简介:

    左向华(1982—),女,硕士,高工,从事真空电子器件的研究;hua1082@eyou.net

  • 中图分类号: TN122

摘要: 反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管作为加速器系统的功率源,具有脉冲输出功率高、平均功率大、寿命长的优势,在工业辐照、放射治疗、无损检测等领域具有广阔的应用前景。设计并研发了一种可用于加速器系统的反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管。其电子光学系统采用多电子注、周期反转永磁聚焦技术,高频系统工作在TM220高次模式、多腔参差调谐,散热采用水冷方式。通过计算确定了结构参数,研制出速调管样管,通过测试,获得了大于3 MW的峰值输出功率,和计算结果相吻合。

English Abstract

左向华, 万知之, 崔萌, 等. 反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 103011. doi: 10.11884/HPLPB202032.200225
引用本文: 左向华, 万知之, 崔萌, 等. 反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 103011. doi: 10.11884/HPLPB202032.200225
Zuo Xianghua, Wan Zhizhi, Cui Meng, et al. C-band high-power multi-beam klystron with reverse permanent magnet[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 103011. doi: 10.11884/HPLPB202032.200225
Citation: Zuo Xianghua, Wan Zhizhi, Cui Meng, et al. C-band high-power multi-beam klystron with reverse permanent magnet[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 103011. doi: 10.11884/HPLPB202032.200225
  • 多注速调管是在单注速调管基础上发展起来的高功率微波器件,其采用将多个低导流系数的电子注并行工作的模式,在较低的工作电压下获得高发射电流,从而实现高峰值功率的输出[1-3]。电子直线加速器利用前级功率源的微波功率将电子加速到所需能量,其所能达到的电子能量及整机尺寸极大程度决定于功率源的输出功率等参数。本文研究的反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管主要面向中低能加速器应用方向,是加速器系统的核心器件,其输出功率高、工作稳定、寿命长。对比传统磁控管功率源,多注速调管可工作在高重复频率(500 Hz)及高工作比(0.2%)下,使加速器系统获得更高的射线能量和剂量率,而当应用于无损检测等应用场景时,可获得更高的检测效率与分辨率。本管采用周期反转永磁聚焦系统,质量仅为电磁聚焦系统的1/5~1/10,最大外形尺寸为297 mm×206 mm×442 mm,重量约33 kg,以上特性使其更加易于安装于加速器系统机头,满足整机设备灵活机动的需求。

    • 该速调管目标应用为小型化加速器系统,作为前级功率源仅需点频工作。根据加速管能量及尺寸等设计需求,该管需达到3 MW的峰值功率输出,平均功率6 kW,表1为主要技术参数。

      表 1  主要的技术参数

      Table 1.  Main technical parameters of the klystron

      frequency/MHzVoltage/kVelectric current/Abandwidth/MHzpeak power/MWaverage power/kWgain/ dBefficiency/ %
      5712≤50≤15030≥3≥6≥45≥40
    • (1)本管如采用单注速调管的方案,在通常的2 μP导流系数下,脉冲高压将达到100 kV以上,且管体互作用段的长度成倍增加,与之而来的聚焦磁场的尺寸重量也将大大增加。考虑到应用的需求,采用多电子注的方案来降低工作电压,减轻对电源调制器的要求;同时工作电压的降低缩短了高频互作用距离,减轻了整管的重量体积,满足小型化的要求[4-6]

      (2)矩形谐振腔是一种常用的多电子注腔体,在矩形谐振腔中采用TMmnp模为工作模式,谐振频率为

      $$ f = \frac{c^2}{2}\sqrt{{{{\left( {\frac{m}{a}} \right)}^2} + {{\left( {\frac{n}{b}} \right)}^2} + {{\left( {\frac{p}{c}} \right)}^2}}} $$ (1)

      式中:abc分别对应于矩形腔体的长、宽、高;对于工作在同一频率的矩形方腔(ab),基模TM110m=1,n=1,p=0,代入式(1)中可得

      $$ {f_{110}} = \frac{{\sqrt 2 c_1^2}}{{2{a_1}}} $$ (2)

      TM220模的m=2,n=2,p=0,代入式(1)中可得

      $$ {f_{220}} = \frac{{\sqrt 2 c_2^2}}{{{a_2}}} $$ (3)

      当TM110模与TM220模的谐振频率一样,同时腔体高度c1c2时,可得2a1a2,TM220模的体积是基模TM110的4倍。矩形方腔TM220模存在四个电场强度最大处,在同样的腔高c下,可以安放4倍的基模电子注数量,对于相同的阴极发射电流密度,峰值输出功率可增加为基模的4倍,有利于3 MW高峰值功率的实现。对比多注速调管的基模谐振腔和高次模式谐振腔,本管采用高次模式TM220的矩形谐振腔。但高次模式谐振腔面临非工作模式的抑制,同时由于电子注不再聚集在中心轴线而引起的聚焦难度增加,都需要通过仿真计算来进行设计优化。

      (3)为满足小型化的实际应用需求,本管采用周期反转永磁聚焦技术。通过磁场的反转,增加了聚焦长度,减小了永磁聚焦系统的体积和质量,增强整个系统的灵活性,该技术的主要缺点就是不容易实现高的电子注通过率。需要在电子光学设计时,使电子注的波动周期与聚焦磁场的周期相匹配,减少磁场反转时引起的电子发散;又因为高次模式电子注不再位于系统主轴,磁场的横向分量将对聚焦产生影响,应将横向场的场强控制在径向场强的0.1%以下;同时高频互作用腔体的分布应符合聚焦磁场的反转周期结构[7-8]。基于以上原因引起的电子注聚焦困难,在尽可能提高电子注通过率的同时,还应设计高效率的整管散热。

      通过分析,本管选择多注多腔的设计,工作在TM220高次模式矩形谐振腔,两周期反转永磁聚焦(PRPM)结构,输入输出为波导盒形窗,收集极和管体为水冷结构。

    • 电子枪采用阴控多注电子枪,阴极为覆膜钡钨阴极,多电子注分为4组,采用阴极分别内嵌在聚焦极中的结构。由于总发射电流较大,聚焦极平面与阳极平面距离6.1 mm,有一定耐压余量,同时提高电极间的粗糙度,保证电子枪工作的稳定性。利用EGUN程序对单个电子注轨迹进行仿真来实现多注的设计,结果如图1所示,单电子注导流系数为0.28 μP,电子注有较好的层流性,并同时利用三维仿真软件进行了验证。图2为采用三维软件模拟计算的电子注轨迹图,与单电子注计算结果有较好的一致性。

      图  1  利用EGUN软件模拟计算的单个电子注轨迹图

      Figure 1.  Single electron beam trajectories simulated by EGUN software

      图  2  三维软件模拟计算的多电子注轨迹图

      Figure 2.  Simulated multi electron beam trajectories

      本管的聚焦系统采用周期反转永磁聚焦技术,考虑到高频互作用段的长度,由两个反转周期,共三圈磁钢组件来实现,每组由径向磁化的永磁圆环、磁极靴和磁屏组成,图3为模拟计算的磁场1/8模型。根据技术参数计算布里渊磁场为0.096 T,取1.4倍的布里渊磁场B=0.134 T,采用钐钴磁钢完全能够实现该磁场强度要求。同时相邻电子注之间的极靴栅网中的磁感应强度小于纯铁极靴的饱和磁感应强度(1.4~1.8 T),径向磁场强度约是轴向磁场强度的0.08%,在可以接受的范围之内。图4为对磁场模型模拟计算出的磁场曲线,62 mm以前为电子枪区,采用磁屏蔽筒的结构,阴极面的磁场强度约为0.000 5 T,62~121 mm和121~180 mm分别对应磁场的两个翻转周期,最大磁场强度分别为0.136 5 T和0.137 7 T,180 mm以后为收集极区,磁场维持了一定的强度,保证电子注在进入收集极一段距离后再发散开。

      图  3  模拟计算时的磁场1/8模型

      Figure 3.  1/8 models of magnetic field in simulated computation

      图  4  对磁场模型模拟计算出的磁场曲线

      Figure 4.  Simulated magnetic field curve

      用EGUN软件对单个电子枪引入聚焦磁场进行模拟优化,通过一系列调整,使电子注的波动周期与聚焦磁场的周期相对匹配,电子在通过磁场反转区时径向速度指向电子注轴线,减少磁场反转时引起的电子发散。如图5所示,二维单电子注计算可得到比较理想的电子束层流性及较好的通过率。

      图  5  EGUN软件模拟计算的单个电子注电子光学轨迹图

      Figure 5.  Electron optical trajectories of single electron beam simulated by EGUN software

      图6为引入磁场的三维仿真结果。虽然每组中的多个电子注不是对称分布,但每个电子注通道的纵向磁场强度差别不超过1%。代入三维磁场计算可得,每个电子注有两个波动周期,电子注漂移长度的中间为磁场反转区,电子具有指向所在注轴心的速度,与一维计算结果相同。多电子注的三维计算中,每个注之间出现的波动的差异由磁场的不对称性造成,但不影响电子注总体的聚焦状态,电子光学模拟结果可得到100%的通过率。

      图  6  三维粒子计算软件模拟多电子注的聚焦情况

      Figure 6.  Simulation of multi electron beam focusing by 3D particle computing software

    • 本管采用工作在TM220模的矩形双重入谐振腔结构,在矩形谐振腔侧壁设置调谐机构,方便在测试时对腔体频率进行细调;通过三维软件对谐振腔进行仿真计算,通过改变腔体边长、高度来消除或减少相邻非工作模式的振荡;在矩形腔体中心设计短路结构,来抑制基模的振荡[12-13]表2为通过一系列抑制非工作模式的设计,得到的谐振腔谐振模式。其中的TM220高次模式与其他模式之间间隔大,相邻模式不会对工作模式造成干扰。图7所示为TM220工作模式的电场矢量图。在圆周方向上,四个电场强度最大处两两方向相反,平均单个通道的特性阻抗为9.3 Ω。群聚段采用多腔参差调谐来实现高增益、高功率要求,通过模拟计算,优化各腔的品质因数、间隙距离、频率及位置,使整管达到3 MW的高功率输出,实现45 dB的高增益要求。

      表 2  矩形谐振腔谐振模式

      Table 2.  Resonant mode of rectangular cavity

      No.modefrequency/MHzpolar direction
      1TM0104107
      2TM2104879x
      3TM2104890y
      4TM2205712
      5TM3108345x
      6TM3108850y

      图  7  TM220工作模式的电场矢量图

      Figure 7.  Electric field vector diagram of TM220 mode

    • 由于周期反转永磁聚焦对管体散热要求较高,本管采用冷却水路直接加工在高频腔体壁上,实现高效率散热;收集极采用双层水冷收集极结构,水路内壁辅助突齿和凹槽结构,满足本管散热要求;输入输出窗采用陶瓷盒型窗。

    • 经过一系列试验及工艺摸索,研制出性能指标满足设计要求的合格样管3支。在脉冲高压50 kV,脉冲电流150 A的条件下进行测试,可在30 MHz工作频带内获得稳定的功率输出,峰值输出功率达到3 MW以上,效率大于40%,达到设计要求。图8为1#,2#,3#管的输出功率曲线,从图中可以看出输出功率在30 MHz带宽内,输出功率虽然略有起伏,但都满足3 MW以上。

      图  8  样管的输出功率曲线

      Figure 8.  Output power curve of tubes

      该速调管主要面向加速器应用方向,图9为对比三支样管在C波段加速管工作频率5712 MHz的输入激励和输出功率,输入激励基本保持同一水平,在10~7 W之间波动;最大输出功率基本一致,波动在3%以内,具有较好的一致性。图10为1#管的激励功率和输出功率之间的对应关系曲线,在10 W的最佳输入激励功率时,可达到3.17 MW的输出功率;同时可以通过控制激励功率的方法来实现不同的功率输出,满足双能加速器高低能工作需求。相比现有采用电压控制高低能状态的方法,本管切换方式更加稳定,且降低了电源等部分的系统复杂度,有利于加速器系统稳定运行。

      图  9  样管在5712 MHz的输入激励和输出功率

      Figure 9.  Input power and output power of tubes at 5712 MHz

      图  10  1#管的激励功率和输出功率曲线

      Figure 10.  Input power vs output power of tube 1#

      图11为该管型的正样管照片。图12为应用该速调管样管初步搭建的加速器测试系统,最左端为速调管功率源,中间为四端环形器和波导元器件,最右端为C波段加速管。后续将利用速调管作为功率源,对C波段加速管进行测试,开展C波段加速器系统的测试实验[14-15]

      图  11  样管照片

      Figure 11.  Photo of a sample tube

      图  12  应用该速调管样管搭建的加速器测试系统

      Figure 12.  The accelerator test system built with the klystron sample tube

    • 本文介绍了一支反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管,其峰值输出功率达到3 MW以上,平均功率可达6 kW。对比传统磁控管驱动的加速器系统,采用该管可实现2倍以上的占空比工作,从而获得更大的辐射剂量率以及更高的X射线能量,为后续C波段加速器产品扩展新的应用方向和应用形式提供技术基础,在工业辐照、放射治疗、无损检测等领域具有广阔的应用前景。

参考文献 (15)

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