速调管电子回流现象研究及收集极设计

朱旭智，戴 巍，刘大刚

（电子科技技术大学 物理电子学院，四川 成都610054）

速调管电子回流现象研究及收集极设计

朱旭智，戴 巍，刘大刚

（电子科技技术大学 物理电子学院，四川 成都610054）

为了分析解决7腔23注相对论速调管模拟过程中出现的收集极电子回流现象，解析该现象产生的物理原因，这里利用CHIPIC软件从收集极结构、输出腔距离收集极长度、聚集磁场强度三个方面研究其参数与电子回流量的关系。通过多次模拟实验得到以下结论：收集极入口处及其内表面紧贴电子运动轨迹时，回流减小；输出腔距离收集极长度L>12 mm时，回流随L减小而减小，L=12 mm时，回流量达到最小值，L<12 mm后，回流又逐渐增加；从输出腔下游开始沿z向逐步降低聚集磁场强度，回流现象减弱。最后根据以上分析选择适合的参数，对整管进行模拟，电子注电压为28 kV，总电流43 A，输入信号功率61 W，频率5.6 GHz，获得功率为346.5 kW，平均效率约28.8%，增益37.54 dB的稳定输出信号，且无反射电子回流。证明在保证输出信号增益与效率的前提下，该方法成功抑制了速调管收集极回流现象。

速调管；电子回流；收集极；回流抑制

0 引言

多注速调管是一种高功率、高效率、高增益的微波功率放大器件。近年来，其发展非常迅速，已广泛应用于国防科研及民用发展中。但由于多注速调管中电子束流强度大，常常会引发收集极处电子回流现象，导致速调管工作不稳定[1]。电子回流原因有两点，一是二次电子或者电子碰撞管壁形成反射电子回流进互作用区[2]；二是大量低能电子存在于收集极入口处，电子发散较慢或者空间电位下降，形成虚阴极引起回流[3]。文献[2]通过缩短输出腔间隙来减小回流，文献[3]通过改变收集极长度来抑制回流。实验证明，减小输出腔长度会降低输出功率；改变收集极长度能减小回流，但不能完全消除回流。本文研究由虚阴极引起的电子回流，并且利用仿真软件CHIPIC进行模拟，通过改变收集极结构参数、调整外加磁场，在输出增益不减的条件下，有效抑制了多注速调管收集极电子回流现象。

1 速调管收集极电子回流现象的出现与影响

为了研究电子回流现象及其原因，对一个7腔，23注C波段速调管（见图1）进行整管模拟，整个模拟时间为30 ns。模拟过程中，收集极入口处出现了电子大

量群聚、回流的现象。如图2（b）所示，输出腔位于z轴145～154 mm间，收集极入口位于166 mm处。电子注电压28 kV，总电流43 A，输入频率为5.6 GHz的信号，在超过6 ns后，电子在收集极入口处大量群聚（见图2（b）），168 ms处动量突降至趋于0（见图2（a）），动量Pz小于0的部分电子从收集极入口以震荡形式沿-z方向移动，最终到达发射端。图2（b）中间通道内的电子注即部分回流电子。从输出能量图可以看出，能量输出趋于0（见图3（a）），输出频谱含高次模（见图3（b）），该速调管已不能正常工作。

图1 速调管整体结构图

图2 速调管中的空间电子分布图

图3 多注速调管输出能量图

2 电子回流现象原理分析

为了进一步研究电子回流产生原理，在图1基础上分段观察电子在输出腔到收集极入口处运动情况（见图4）。电子经过输出腔时，动能大量转换成高频微波能量，以实现信号的放大。经过前6个谐振腔的速度调制，电子已分为快电子和慢电子[4]。在输出腔高频激励下，大量快慢电子被耦合出动能成为低能电子，导致等效电子注电压降低[2]，出现虚阴极现象。速度趋于0的低能电子与更多电子聚合，在收集极入口处进一步群聚（见图4），使得电子密度增加，空间电荷力强度增大。同时，原作用于高频互作用段的聚焦磁场[6]在收集极入口处突降为0，使得收集极处的电子瞬间失去磁场力来克服空间电荷力，加大了电子在收集极入口处的无序发散和相互碰撞，从图2（a）中存在大量Pz<0的电子可知，部分电子在空间电荷力作用下产生-z方向速度矢量，反向运动到互作用区，在互作用区受到聚焦磁场作用，产生速度调制，回流到阴极发射端，这就是由于存在大量低能电子[5]，收集极入口处电子注电压降低和电子无法快速发散产生虚阴极，引起回流的原因。其次，收集极入口处结构的突变，也加剧了空间电位下降形成虚阴极[4]，导致电子返流（见图5）[3]。

图4 输出腔处电子相位图

图5 存在虚阴极时收集极处电子注发散图

3 速调管电子回流抑制方案研究

从回流现象的原理分析中可以看出，降低收集极入口处电势突降，减小电子空间电荷力，使电子在收集极入口处快速有序地发散是解决电子回流的关键。本节分别从改变收集极结构、调整收集极离输出腔间距、选取适合的聚焦磁场三方面联动解决电子回流现象。

首先，由于电子在收集极的运动轨迹呈弧型散开状（见图5），收集极入口处采用瓶颈式结构有助于减缓电

势突降的影响[6]，收集极内表面贴合电子运动轨迹，能有效迅速地吸收发散的电子。令收集极内表面坡度斜率为：

实验得到不同斜率下，电子回流程度不同，见表1。从表1中可知选取坡度效率为0.146的收集极结构最合适。

表1 不同斜率下，收集极电子回流量情况

其次，改变收集极离输出腔距离。令L为输出腔中点至收集极入口处距离（见图6）。根据L的变化，观察回流现象的变化发现，实验得到当L=12 mm时，电子回流量最小。

图6 输出端及收集极剖面图

最后，调整互作用段恒定的静态聚焦磁场，在输出腔到收集极入口处呈抛物线型降低（见图7），逐步减小该段电子注受磁场力的作用，便于电子有序地发散。

图7 互作用段聚集磁场图

根据上述3种方法，设计了一款长度168 ms，最大半径25.5 ms，入口处半径14.5 ms并呈颈瓶式结构的收集极，该收集极入口距输出腔12 ms。输出腔下游段的互作用区半径13.9 ms。从150 ms到162 ms，磁场从0.3 T逐渐减少到0 T。对整管（见图8）进行模拟，电子注电压为28 kV，电子注电流43 A，在频率5.6 GHz、功率50 W的输入信号激励下，输出平均功率346.5 kW，平均效率约为28.8%，增益38.4 dB的高频信号（如图9，图10所示），有效地抑制了回流现象（如图11，图12），获得了稳定的增益。

图8 改良后的多注速调管结构图

图9 输出微波功率包络图

图10 输出功率频谱图

4 结论

本文利用CHIPIC软件模拟7腔23注速调管，观察了电子回流过程中电子动量、空间相位等变化，验证了低能电子、虚阴极的产生导致电子回流的理论，分析了速调管收集极结构，输出腔距收集极长度及聚集磁场参数对抑制回流现象的作用。

图11 无回流下，电子Pz相位图

图12 无回流下，电子空间分布图

最后，采用内表面斜率为0.146，距离输出腔12 ms，入口为瓶颈式的收集极结构，电压28 kV，总电流43 A的电子注在输入频率为5.6 GHz，输入功率61 W的信号激励下，获得输出功率为346.5 kW，平均效率约为28.8%，增益37.54 dB的稳定高频信号，实现了信号的放大，并且多余电子在收集极被吸收。进一步加深了对速调管工作原理的认识，加强了解决问题的能力。

[1]陈永东，谢鸿全，李正红，等.电子回流相对论速调管稳定工作的影响[J].强激光与粒子束，2013，25（7）：1770⁃1774.

[2]丁耀根.大功率速调管设计制造和应用[M].北京：国防工业出版社，2010.

[3]FANG Zhi⁃gao，FUKUDA S，YAMAGUCHI S，et al.Simula⁃tion of returning electrons from a klystron collector[J].Physics，2000，2：1⁃3.

[4]NGUYEN K T，ABE D K，PERSHING D E，et al.High⁃power four⁃cavity s⁃band multiple⁃beam klystron design[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2004，32（3）：111⁃120.

[5]ROYBAL W T，CARLSTEN B E，TALLERICO P J.Dynamics of retrograde electrons returning from the output cavity in klys⁃trons[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2006，53（8）：10⁃17.

[6]周祖圣，田双敏，董东.高功率速调管聚焦磁场设计研究[J].强激光与粒子束，2006，18（8）：1337⁃1340.

[7]金华松，刘斯亮，邱冬冬.UCB速调管调谐方法研究[J].现代电子技术，2012，35（21）：73⁃75.

Study on electron returning phenomenon of klystron and design of collector

ZHU Xu⁃zhi，DAI Wei，LIU Da⁃gang
（School of Physical Electronics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

To eliminate electrons returning from collector of seven⁃cavity circuit for a 23⁃beam klystron，and analyze rea⁃sons of the phenomenon，the software CHIPIC is used to study the relationship of its parameters and electron returning quantity in the espacts of collector structure，distance of output cavity to collector and magnetic field intensity.It is found that，when the collector inlet and inner surface is closed to the electron beam motion trail，the returning electrons tend to decrease；when the length L between output cavity and collector is more than 12 mm，returning electrons reduce with the decrease of L；while L is 12 mm，electron returning quantity is minimum value；when L<12 mm，returning electrons increase.Along with Z direction starting from downstream of output cavity，magnetic field intensity decreases gradually，and the electron returning phenomenon turns weak.Finally，when choosing the suitable parameters（electron beam voltage is 28 kV，input signal power is 61 W，fre⁃quency is 5.6 GHz）to simulate shielded tube，the power of 346.5 kW，average efficiency of 28.8%and stable output signal of 37.54 dB are obtained，and there is no returning electrons.It prove that，in the precondition to ensure the gain and efficiency of output signal，the method can restrain electron returning phenomenon from collector successfully.

klystron；electron returning；collector；returning restrain

TN62⁃34

A

1004⁃373X（2015）04⁃0114⁃04

朱旭智（1986—），女，硕士。研究方向为电子与通信。

2014⁃08⁃18