x波段同轴多注相对论速调管放大器技术研究

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1、目刘助OE8—m振理16a研．i帮2l：4究W84—员d504@caep．a(3．cnX波段同轴多注相对论速调管放大器技术研究相对论速调管放大器(RelativisticKlystronAmplifier，RKA)是一类重要的高功率微波器件，具有高功率、高效率、相位和幅度稳定等优点，在新型加速器、高功率雷达、新型通信系统等领域都有广泛的应用。随着应用需求的发展，对器件的品质因子尸厂(尸为输出的峰值微波功率，厂为微波频率)提出越来越高的要求，但是对于常规结构的RKA，由于空间电荷限制流，对一定结构尺寸的漂移管存在传输束流的上限值；另一方面RKA的漂移管须对工作频率处的微波截止，以抑

2、制杂频振荡，因此高频段RKA的漂移管半径很小，限制了常规结构RKA向更高工作频率和更高输出功率的方向发展。为了提高RKA的工作频率和输出功率，文中结合三重轴相对论速调管放大器(Tri—axialRelativisticKlystronAmplifier，TRKA)~多注速调管放大器(Multi—beamKlystronAmplifier，MBK)的特点，提出并设计了工作在x波段的同轴多注RKA[，器件采用同轴多注结构，使谐振腔的体积做得较大，电子束不必集中于谐振腔中心通过，可以增加阴极的有效发射面积，并提高功率容量。在完成三维电磁粒子模拟设计之后L2J，在加速器平台上开展了初步的

3、实验研究，并采取适当的结构设计措施L3J，避免了射频击穿，以及有效抑制了杂频振荡和脉冲缩短，得到了初步的实验结果。1模拟设计对圆柱结构与同轴结构中电子束能量转换为微波能量的转换效率进行分析比较，首先通过推导得到电子束穿过圆柱结构与同轴结构而不造成电子反射的最低能量‰i的表达式分别为圆柱结构2／3=()门(1)同轴结构m：“=[—8—5—k—A—(—1—／—ln—(—r：／—1—／ln(G／rb2]+(2)．b2)+))式中，厶。k为电子束总束流；为圆柱结构和同轴结构外径；i为同轴结构内径。电子束能量转换为微波能量的转换效率rlo为)(3)式中，为电子束电压；为电子束直流束流；。为

4、基波调制束流；为输出腔的提取效率；m0为电子静止质量；g为电子电荷量；c为光速；i为注入的电子束能量。在设定的结构参数下，当电子束电压为600kv，基波束流调制深度为100％，输出腔的提取效率为50％时，在相同的外径尺寸下，两种结构的能量转换效率随电子束束流的变化如图1所示。对于电子束束流为5kA的情况，圆柱结构的转换效率为35．2％，而同轴结构的转换效率为41．2％。与圆柱结构相比较，同轴结构更有利于电子束能量转换为微·—____波能量，可以提高RKA的功率效率。采用三维电磁粒子模拟软件对同轴多注RKA进行粒子模拟研究，三维粒子模拟模型和输出微波波形如图2所示。1．41．0褂同

5、轴结『_校hl1{0．6t_圆柱结构-—I÷～-0．2一h{J048l21620束流／kA图1转换效率随电子束束流的变化姆题丑图2器件模型图和输出微波功率为了降低输入微波的功率要求，提高电子束的调制深度，从而提高放大器的增益，设计采用两个中间腔结构。由于中间腔两端对工作频率的微波是截止的，中间腔的Q值很高，当在输入腔中受到输入微波调制的电子束通过中问腔时，会在中间腔中激发起很强的微波电场，使得中间腔问隙处的电压较高，特别是在第二个中间腔处，此时的束流调制深度较大，激发起的电场很高，容易产生射频击穿。因此将第二个中间腔设计为多间隙结构，以降低间隙处的电场强度，抑制射频击穿，同时可以

6、增大各个腔体干扰模式之间的频率间隔。粒子模拟设计中，采用电压600kV、总束流5kA的8注电子束驱动x波段4腔同轴RKA，在输入微波功率70kW、引导磁场强度0．8T的条件下，模拟输出微波功率为825Mw，效率为28％，增益为4ldB。2实验研究根据粒子模拟计算的结果，设计了工作在x波段的同轴多注RKA，并开展了束流调制和微波辐射实验。在电子束电压为670kV，器件束流为5．3kA，输入微波功率为30kW，频率为9．375GHz，轴向引导磁感应强度为0．8T的情况下，第二个中问腔之后的基波束流调制为2．1kA，调制深度为40％，调制束流的波形和频谱见图3。由图3调制束流的频谱可以

7、看出其谐振频率为9．375GHz，—一⋯⋯——；一——与输入微波频率相一致，并且频谱比较纯，不存在其他杂频的干扰。图3调制束流的波形和频谱在基波束流调制最大位置处放置输出腔，初步实验中设计采用的输出腔为单问隙单重入结构，输出腔工作模式的阶数较低，与其他干扰模式之间的频率间隔较大，有利于抑制干扰模式的影响。为了使得输出腔的微波提取效率较高，经过模拟计算与优化设计，单间隙输出腔的有载Q值设计约为45，输出1-—··—__腔的Q值较低，其与输出段圆波导之间的耦合孔较大，在输出微波功率不