回旋速調管注波互作用理論的發(fā)展及評述

　　回旋速調管是一類(lèi)具有重要應用前景的高功率、高效率和高增益相干毫米波源。本文簡(jiǎn)要介紹了回旋速調管的結構和工作原理，重點(diǎn)評述了回旋速調管注波互作用理論的發(fā)展狀況和趨勢，指出了發(fā)展中存在的一些問(wèn)題，并提出了自己的建議，希望能對中國回旋速調管的發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用。

　　回旋速調管是回旋管家族中的一員，具有高功率、高效率、高增益和一定帶寬等特點(diǎn)，廣泛應用于雷達、通信、電子對抗、等離子體加熱及材料處理等領(lǐng)域，在下一代直線(xiàn)對撞機、高梯度加速器中也有重要應用前景，是實(shí)際系統中應用最多的一類(lèi)回旋管放大器。

　　回旋速調管的早期研究和計算多是前蘇聯(lián)科學(xué)家開(kāi)展的，主要致力于基本問(wèn)題的解決與設計計算。早在1973 年，Demidovich 等開(kāi)展了回旋速調管計算，其計算的三腔回旋速調管電子效率可達85% 。經(jīng)過(guò)30 多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了相對完善的回旋速調管線(xiàn)性理論與非線(xiàn)性理論。此外，粒子模擬理論也逐漸應用于回旋速調管等真空器件的注波互作用模擬�；匦�速調管的數值模擬已經(jīng)成為與解析理論、實(shí)驗方法相并列的第三種科學(xué)研究手段，對提高器件設計能力，縮短開(kāi)發(fā)周期，減少整管硬件實(shí)驗,改善性能等方面起到極其重要的作用。

　　本文在簡(jiǎn)要介紹回旋速調管的結構和工作原理的基礎上，對描述回旋速調管注波互作用過(guò)程的線(xiàn)性理論、非線(xiàn)性理論以及粒子模擬進(jìn)行了綜述，分析了各種理論模型的優(yōu)點(diǎn)與局限，指出了應用與發(fā)展中存在的一些問(wèn)題以及可能的解決方案。希望本文能對回旋速調管的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

1、回旋速調管的結構與工作原理

　　回旋速調管是回旋管家族中的一員，由電子槍、輸入耦合器、互作用回路、磁場(chǎng)系統、收集極、輸出窗等部件構成，其互作用回路與多腔速調管類(lèi)似，由兩個(gè)或多個(gè)分離的諧振腔通過(guò)電子漂移管連接而成。圖1 給出了一個(gè)典型的四腔回旋速調管互作用電路的示意圖。

圖1 典型的四腔回旋速調管互作用電路示意圖

3、主要問(wèn)題與發(fā)展趨勢

　　回旋速調管各種注波互作用理論模型各有自身的優(yōu)勢與局限，因而也就有各自的最佳適用范圍。線(xiàn)性理論簡(jiǎn)單、直觀(guān)，有利于理解器件的工作原理與進(jìn)行器件的初始設計。非線(xiàn)性理論比較真實(shí)地反映器件的非線(xiàn)性互作用過(guò)程，有利于預測器件的電子效率、輸出功率等性能。粒子模擬則可以真實(shí)記錄電磁場(chǎng)與帶電粒子的自洽互作用過(guò)程，能分析許多復雜的、不甚明了的物理問(wèn)題與物理現象。但是，粒子模擬屬于純數值模擬技術(shù)，對計算機的要求比較高，計算消耗大量?jì)却�，模擬時(shí)間長(cháng)。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)器件從初始設計到最終成功，各種理論模型和方法都需要用到，這就要求掌握并靈活運用各種理論模型與技術(shù)。

　　經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，中國在回旋速調管理論研究方面取得了一定進(jìn)展，但在研究和發(fā)展過(guò)程中還存在一些問(wèn)題。這些問(wèn)題主要包括:

　　(1) 成果分散，重復勞動(dòng)較多隨著(zhù)計算機模擬成為一種科學(xué)研究的重要手段，大批科研人員從事數值模擬研究，取得了大量科研成果。但是，這些成果大多是分散的、階段性的，沒(méi)有形成完整、系統的實(shí)用程序，很多成果甚至被束之高閣。

　　(2) 理論模型的精度與效率有待提高目前，國內發(fā)展的回旋速調管注波互作用理論模型多采用一定的近似，如高頻場(chǎng)分布采用冷腔場(chǎng)分布，忽略空間電荷力，漂移管內不存在電磁場(chǎng)等，其精度與效率相比國外最先進(jìn)的注波互作用理論模型有進(jìn)一步提升的空間。

　　(3) 程序的系統化與實(shí)用化程度低國內相關(guān)單位，如中科院電子所、中電科技集團12 所、電子科技大學(xué)等，都開(kāi)發(fā)了回旋速調管的數值計算程序。這些程序多局限于內部人員使用，系統化與實(shí)用化程度非常低。相比之下，國外非常注重程序的系統化與實(shí)用化。美國、俄羅斯、日本等都有成套的數值模擬程序，有些作為商品在全世界銷(xiāo)售。如俄羅斯的速調管模擬軟件Arsenal，美國的粒子模擬軟件MAGIC 等。

　　針對以上的問(wèn)題，建議加強以下幾個(gè)方面的研究工作。

　　(1) 加強精確效回旋速調管注波互作用理論的研究和代碼的開(kāi)發(fā)對回旋速調管進(jìn)行初始設計以及多種不同設計方案的模擬與優(yōu)化時(shí)，采用一定近似的線(xiàn)性理論與非線(xiàn)性理論具有獨特的優(yōu)勢。建議加強更加精確高效注波互作用理論模型的研究和代碼的開(kāi)發(fā)。在理論模型精度上，可以利用廣義電報方程計算回旋速調管整個(gè)互作用區內的電磁場(chǎng)，避免逐腔計算、漂移管近似以及冷腔近似可能引入的誤差。在理論模型的計算效率上，尤其對場(chǎng)幅度與場(chǎng)分布隨注波互作用自洽演變的理論模型( 如MAGY)而言，穩定且高效的場(chǎng)計算與更新算法尤其重要。

　　此外，如何準確且高效地獲得粒子在任意位置所感受到的場(chǎng)也有重要的研究?jì)r(jià)值。這些內容直接關(guān)系到理論模型的精度與代碼的執行效率。

　　(2) 加強三維電磁粒子模擬程序的開(kāi)發(fā)與推廣應用采用全三維粒子模擬軟件模擬器件的注波互作用過(guò)程，要求計算機容量大，且運算時(shí)間長(cháng)。但是,隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展與并行算法的開(kāi)發(fā)，采用GPU 加速以及引入新的高效算法，有望克服這些局限。建議加強三維電磁粒子模擬程序的開(kāi)發(fā)與應用，最大限度發(fā)揮其優(yōu)勢，對器件內部復雜物理問(wèn)題進(jìn)行研究。注波互作用計算可以在大信號理論模型與三維粒子模擬方法之間進(jìn)行平衡分析。大信號理論代碼可以作為日常設計工具，對器件進(jìn)行初始設計與優(yōu)化設計。PIC 粒子模擬則可以用來(lái)對器件的最終性能進(jìn)行確定性分析。利用兩者各自的優(yōu)勢，最終高效完成器件的設計、優(yōu)化與性能分析。

　　(3) 模擬程序的系統化與實(shí)用化回旋速調管模擬計算的系統化與實(shí)用化可以借鑒行波管方面的工作。美國通過(guò)MMACE 計劃創(chuàng )建了微波電真空器件CAD 系統，集成了電子槍、磁場(chǎng)、注波互作用等各類(lèi)軟件，為提高功率行波管的設計能力，新管型的開(kāi)發(fā)與測試提供了有力的支撐。中國開(kāi)發(fā)了/ 寬帶大功率行波管CAD 集成環(huán)境0，實(shí)現了電子從陰極發(fā)射,與高頻場(chǎng)互作用直至被降壓收集極捕獲全過(guò)程的二維模擬與可視化。在此基礎上，成功開(kāi)發(fā)了全三維的微波管模擬套裝MTSS。這些開(kāi)發(fā)平臺在國內各制管單位得到推廣應用，極大促進(jìn)了中國行波管設計水平的提高。

　　對于回旋速調管的模擬計算，只要在系統化、實(shí)用化方面多一些統一安排和部署，避免科研成果的閑置和低水平的重復勞動(dòng)，精心組織，一定會(huì )研究出高水平的計算機模擬程序。

4、結束語(yǔ)

　　本文介紹了回旋速調管的結構和工作原理，評述了其注波互作用理論的發(fā)展概況和趨勢，討論了理論發(fā)展中存在的一些問(wèn)題，并建議加強精確高效回旋速調管注波互作用理論模型的研究與代碼的開(kāi)發(fā)，在系統化、實(shí)用化方面多一些統一安排和部署,避免科研成果的閑置和大量的重復勞動(dòng)，以提高我國在計算機數值模擬方面的整體研究水平。