非軸對稱(chēng)磁場(chǎng)對多級降壓收集極性能的影響

2013-09-28 郭 際 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所

　　收集效率和回流率是體現多級降壓收集極性能的兩個(gè)重要指標，本文嘗試在收集極表面加上一定弧度的磁鋼貼片，以此在收集極內引入非軸對稱(chēng)磁場(chǎng)，通過(guò)調節磁場(chǎng)的大小和位置，觀(guān)察磁場(chǎng)對收集極內電子運動(dòng)軌跡的影響，尋求實(shí)現收集極效率的最大化并抑制二次電子回流。針對某一Ku 波段行波管多級降壓收集極，加入優(yōu)化磁場(chǎng)后的計算結果與未加磁場(chǎng)時(shí)相比，各電極電流分布發(fā)生變化，部分電子被更靠后的電極所收集，中頻點(diǎn)處回流率由原來(lái)的2.49%降低到0.54%，同時(shí)收集效率提高超過(guò)3%達到79.07%。收集極性能的改善也為行波管效率的提高提供了保證。

　　行波管是目前軍事裝備上應用最廣泛的微波管，效率是衡量其性能的重要指標之一，并且提高行波管效率可帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟效益。行波管整管效率主要取決于電子注與高頻電路的互作用效率,以及收集極的效率。提高收集極效率的一種方法是采用多級降壓收集極。20 世紀50 年代，Wolksein和Sterzer率先成功地將多級降壓收集極(MDC) 應用到行波管中實(shí)現整管效率提高。之后人們對收集極的結構和形式做了不同嘗試: 結構有軸對稱(chēng)及非軸對稱(chēng)等；減速場(chǎng)采用靜電場(chǎng)或者磁場(chǎng)，電場(chǎng)又有均勻場(chǎng)、拋物線(xiàn)散焦電場(chǎng)、雙曲線(xiàn)聚焦電場(chǎng)、傾斜電場(chǎng)等，使用最多的是靜電場(chǎng)收集極。

　　在多級降壓收集極中，二次電子的存在對效率和回流率有重要影響，二次電子回流到高頻互作用區，會(huì )增加熱耗散功率，在高頻輸出窗產(chǎn)生額外的噪聲功率，甚至可能導致整管燒毀；二次電子轟擊到高電位電極，吸收能量，會(huì )降低收集極效率。常見(jiàn)的提高多級降壓收集極效率的方法是優(yōu)化電極形狀和電位，并對收集極表面進(jìn)行材料改性，而非軸對稱(chēng)磁場(chǎng)對多級降壓收集極性能會(huì )產(chǎn)生如何影響，這方面尚未見(jiàn)報道。本文利用微波管仿真軟件MTSS,結合某一Ku 波段行波管收集極進(jìn)行非軸對稱(chēng)磁場(chǎng)的優(yōu)化設計，目標是實(shí)現收集極效率的明顯提高并控制回流率，為實(shí)際制管提供可行方案，最后將對初步研究結果做出討論和分析。

1、磁場(chǎng)設計

　　電子注在進(jìn)入收集極之前，由于各種原因，如熱陰極發(fā)射電子的熱初速零散造成電子縱向速度的零散；互作用區介質(zhì)桿的存在使高頻電場(chǎng)并非軸對稱(chēng)；磁聚焦系統在高頻輸入輸出端使用開(kāi)口磁鋼。這些都會(huì )造成部分電子運動(dòng)的非軸對稱(chēng)性，盡管如此，電子注經(jīng)過(guò)收集極再聚焦區磁場(chǎng)聚束作用后，在對稱(chēng)結構的收集極內，運動(dòng)軌跡依然呈軸對稱(chēng)狀。若是在收集極內采用軸對稱(chēng)磁場(chǎng)，將對所有電子產(chǎn)生同樣影響，所以這里引入非軸對稱(chēng)磁場(chǎng)，希望能像非對稱(chēng)結構收集極那樣，對電子注運動(dòng)軌跡產(chǎn)生明顯的偏轉效果，達到抑制二次電子返流，提高效率降低回流率的效果。

　　為了不改變收集極結構，本文采用最簡(jiǎn)單的方式，通過(guò)覆蓋在收集極表面的一片弧形磁鋼，在收集極內形成非軸對稱(chēng)磁場(chǎng)，如圖1 所示。此處磁鋼貼片并非直接接觸電極，而是在整個(gè)收集極筒的最外層，所以磁鋼貼片的半徑較大。

磁鋼貼片示意圖

圖1 磁鋼貼片示意圖

　　假設收集極端蓋材料是可伐，磁屏蔽效果好，計算時(shí)可忽略再聚焦區磁場(chǎng)的漏磁，同時(shí)考慮到收集極外還要加載翼片輻射散熱，翼片的存在也限制了貼片弧度不能太大，本文計算時(shí)貼片角向對應的圓心角定為45°，并定義L 為貼片軸向長(cháng)度，D 為徑向厚度。對于這樣單獨的一塊磁鋼貼片，弧度較小且半徑較大，而電子所處位置與貼片有一定距離，所以能影響到電子運動(dòng)的磁場(chǎng)很小，其磁場(chǎng)分布接近矩形磁鋼。

結論

　　本文通過(guò)磁鋼貼片在收集極內引入非軸對稱(chēng)磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)來(lái)改變電子運動(dòng)軌跡，盡管受磁鋼貼片尺寸限制收集極內磁場(chǎng)不大，沿軸磁場(chǎng)峰值僅有幾十高斯，但對部分橫向運動(dòng)的原電子和沿軸向返回的低能量二次電子卻有明顯偏轉作用，這有助于收集效率的提高并抑制二次電子回流。結合某一Ku波段行波管多級降壓收集極進(jìn)行的磁場(chǎng)設計，結果顯示優(yōu)化后的磁場(chǎng)回流率顯著(zhù)降低，從2.49% 減小到0.54% ，同時(shí)收集效率提高超過(guò)3% ，計算效果良好，滿(mǎn)足工程上制管要求。需要明確的是，非軸對稱(chēng)磁場(chǎng)對多級降壓收集極性能改善起到的是輔助提高作用，要在電場(chǎng)優(yōu)化得到較高效率的前提下再采用磁場(chǎng)，并根據收集極具體結構和電場(chǎng)分布對磁場(chǎng)優(yōu)化，最終才能得到理想的設計方案。