X波段帶狀注速調管注波互作用系統的3維PIC模擬
對于傳統的軸對稱(chēng)功率源,其輸出功率與頻率的平方成反比,因而在高頻段很難產(chǎn)生高功率輸出。帶狀注速調管為平面對稱(chēng)功率源,它采用寬高比值很大的薄矩形注降低了束流內的空間電荷效應,時(shí)輸出功率與頻率的一次方成反比,因而具有在高頻段獲得高功率微波輸出的巨大潛力。
早在1938年,俄羅斯的Kovalenko就提出了帶狀注速調管的概念。隨后的60多年里,美國、俄羅斯和法國的科學(xué)家對其進(jìn)行了初步的研究,但進(jìn)展緩慢。這是因為帶狀注速調管為非軸對稱(chēng)結構,其電子光學(xué)系統和注波互作用系統的研究需要建立在三維仿真平臺基礎上,這受到當時(shí)技術(shù)水平限制未能得以實(shí)現。近年來(lái),在高功率微波和毫米波源的需求牽引下,帶狀注速調管又重新在國際上引起了關(guān)注。它最大的技術(shù)優(yōu)勢在于,其特殊的大寬高比注波互作用段在高頻段可以將尺寸做得較大,從而可大大提高功率容量。因此,在高頻波段(如毫米波段) ,帶狀注速調管有望成為很具競爭力的高功率微波器件。二十世紀九十年代以來(lái),國際上多家機構對其進(jìn)行了較深入的研究,并取得了一些進(jìn)展,而國內的研究工作才剛剛起步。
圖1為SLAC設計的X波段75MW帶狀注速調管,其工作電壓490kV,工作電流257A,帶狀注截面0.8×10cm2,聚焦磁場(chǎng)3×10-2T,注波互作用效率為60%。該管目前處于概念設計階段,擬用于下一代線(xiàn)性對撞機。
圖1 SLAC設計的X波段帶狀注速調管結構示意圖
隨著(zhù)電子計算機的高速發(fā)展,其計算能力得到了很大程度的提高。于是PIC模擬方法就開(kāi)始廣泛應用于對等離子體方面的研究。三維PIC粒子模擬軟件,可以在直角坐標系中時(shí)域求解自洽的麥克斯韋方程和運動(dòng)方程,自動(dòng)考慮電荷運動(dòng)所產(chǎn)生的場(chǎng)、空間電荷效應以及磁場(chǎng)力,模擬精度已經(jīng)得到了實(shí)驗驗證。研制帶狀注速調管時(shí),為了預測器件的性能,對器件中帶狀注速調管注波互作用系統進(jìn)行模擬計算是很重要的。目前, 國外關(guān)于帶狀注速調管方面的模擬計算報道很少,本文的研究?jì)热菰趪鴥壬袑偈桌?/p>
本文利用PIC粒子模擬軟件模擬了X波段帶狀注速調管三間隙腔的冷特性參數,同時(shí)采用CST軟件進(jìn)行驗證,得到了一致的計算結果; 本文還利用PIC粒子模擬軟件對X 波段帶狀注速調管進(jìn)行了三維互作用模擬,給出了模擬的一般步驟,得到了包括增益、輸出功率、互作用效率等比較全面的模擬結果。該研究對該類(lèi)器件的工程設計及實(shí)驗研究具有重要意義。
1、三間隙擴展互作用腔的模擬計算
在實(shí)際制管過(guò)程中,采用單間隙腔將會(huì )使帶狀注速調管面臨高頻擊穿的問(wèn)題。解決這一問(wèn)題的辦法是采用多間隙腔來(lái)代替單間隙腔。這是由于在頻率相同的情況下,多間隙腔比單間隙腔具有更長(cháng)的間隙長(cháng)度和更高的功率容量,能夠大大改善間隙打火問(wèn)題。因此,對帶狀注速調管多間隙腔進(jìn)行研究十分必要。
帶狀注速調管三間隙擴展互作用腔是由三個(gè)重入式啞鈴型諧振腔形成的一種腔體結構,它是利用矩形漂移通道來(lái)進(jìn)行三個(gè)單腔的耦合 。圖2為帶狀注速調管三間隙擴展互作用腔的結構圖。三間隙腔中的所有模式均可為π/3模、2π/3模和π模三大類(lèi)。其中π模在三個(gè)單腔中的電場(chǎng)方向相反,相位相差π的奇數倍。圖3是π/3模、2π/3模和π模電場(chǎng)強度沿軸向的變化(橫坐標z 代表軸向,縱坐標代表歸一化的電場(chǎng)強度) 。
圖2 帶狀注速調管三間隙擴展互作用腔
圖3 π/3模、2π/3模和π模軸向電場(chǎng)分布圖
參照真空技術(shù)網(wǎng)給出的結果中整管設計的要求(電子注電壓415kV ,電子注電流250A) ,確定了腔體參數,采用PIC 模擬軟件得到了諧振頻率為11.425GHz 的X 波段帶狀注速調管三間隙腔的本征模式,如圖4 所示。
圖4 帶狀注速調管三間隙π模腔電場(chǎng)分布圖
圖5 給出了三間隙腔中的模式分布圖(橫坐標為頻率,縱坐標為電場(chǎng)沿x 方向變化的次數) 。其中“+ + + ”“+0 - ”“+ - + ”分別代表π/3模、2π/3模和π模。從圖中可以看出,三間隙腔中的模式較多,模式間隔較小,因此必須抑制非工作模式的振蕩。常用的方法有降低振蕩模式的有載Q值,加吸收腔以及采用特殊腔體結構 。
圖5 三間隙腔中的模式分布圖
采用PIC模擬軟件,對該諧振腔的特性阻抗進(jìn)行了計算。計算結果表明:振蕩約5ns 后R/Q值穩定在23Ω。同時(shí)采用CST軟件進(jìn)行驗證,得到了一致的計算結果。
