8mm三次諧波潘尼管的理論設計與粒子模擬研究

　　潘尼管是利用電子在高頻結構中的位置選擇機制實(shí)現注波凈能量交換的回旋器件,具有高效率與低磁場(chǎng)的顯著(zhù)特點(diǎn)。本文在簡(jiǎn)述其基本原理的基礎上,研究了其設計理論與方法,進(jìn)行了相應的數值計算,設計了一只8 mm波段三次回旋諧波潘尼管:采用4開(kāi)槽漸變到圓波導的開(kāi)放式諧振腔高頻結構,2π工作模式,束電壓43.5 kV,束電流1.45 A,最后采用3D-PIC模擬軟件進(jìn)行驗證、優(yōu)化。模擬結果顯示,該器件可獲得37.8 kW平均輸出功率,器件效率可達到60%,展示了其作為高效永磁包裝器件的良好應用前景。

　　近年來(lái), 毫米波與亞毫米波在雷達、通信、電子戰、波束武器與新能源研發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應用, 迫切需要一類(lèi)新型的毫米波、亞毫米波源[ 1] : 一方面, 要求它的功率比常規的返波管、分布互作用腔速調管(EIO, EIA) 等大得多; 另一方面, 又要求其體積、重量、電壓, 尤其是所需的磁場(chǎng)和工作準備時(shí)間比普通的回旋管小, 以便適應多種實(shí)際應用的要求。具有永磁包裝前景的高次回旋諧波器件因滿(mǎn)足這一要求而受到廣泛的關(guān)注, 其中潘尼管是最重要的候選者之一[ 2- 3] 。

　　潘尼管的概念最早是在1962 年由日本的S. Ono,K. Yamanouchi 等[ 4- 7] 提出, 經(jīng)過(guò)多年研究, 先后經(jīng)歷了雙對脊波導高頻結構, 無(wú)脊弓的方、圓波導諧振腔高頻結構, 類(lèi)磁控管的高頻結構( 包括槽形結構和旭日結構) 。特別是類(lèi)磁控管型高頻結構的引入,不僅使潘尼管具有較好的模式隔離度、較大的工作帶寬, 而且縮小了電子繞軸運動(dòng)的回旋半徑, 可以在較低的束電壓下工作, 還提高了注波互作用強度, 大大促進(jìn)了潘尼管的發(fā)展。1999 年Tohoku 大學(xué)研制出的磁控管型潘尼管, 采用縱向突變的能量耦合結構, 工作在2􀀁模式, 其中3 次諧波潘尼管的器件效率達39%, 10 次諧波的電子效率也高達6% , 顯示了潘尼管十分誘人的應用前景。美國的UCD 實(shí)驗室有一個(gè)持續多年的潘尼管研究計劃, 目標是在8 mm波段獲得25~ 100 kW 的輸出功率[ 9- 15] 。國內也早有學(xué)者對潘尼管進(jìn)行過(guò)理論研究與綜合評述, 但迄今為止尚未見(jiàn)到詳細、系統的研究工作報道[ 16- 17] 。

　　在國家自然科學(xué)基金的資助下, 本文開(kāi)展了潘尼管的理論與粒子模擬研究, 首先簡(jiǎn)述了潘尼管的基本原理的; 然后研究了其設計理論與方法, 并具體設計了一支工作于8mm 波段三次諧波回旋潘尼管,特別是采用4 開(kāi)槽漸變到圓波導的開(kāi)放式諧振腔,與文獻[ 8] 相比, 大大地提高了器件效率; 最后利用D􀀁PIC 模擬軟件對理論設計參數進(jìn)行驗證與優(yōu)化,在2􀀁工作模式, 束電壓43􀀂5 kV, 束電流1􀀂45A 的情況下, 其平均輸出功率不小于37􀀂8 kW, 為進(jìn)一步實(shí)驗研究打下了良好基礎。

4、 結論

　　本文簡(jiǎn)述了潘尼管的基本原理, 研究了其設計中開(kāi)槽波導色散特性、開(kāi)放式諧振腔設計、模式競爭等關(guān)鍵問(wèn)題, 編制了相應的計算程序, 并設計了一只8mm 波段三次諧波潘尼管。繼而用3D􀀁PIC 模擬軟件進(jìn)行了驗證與優(yōu)化, 給出了其內部粒子分布與能量變化過(guò)程的描述。模擬還給出了器件的主要性能: 所得工作模式與頻率與理論設計一致, 器件效率達60% , 輸出功率達37􀀂8 kW, 而工作磁場(chǎng)僅0􀀂396T, 顯示了這種器件發(fā)展為高效永磁包裝毫米波器件的巨大潛力。下一步我們將在此基礎上開(kāi)展實(shí)驗研究。