0.5 THz返波管电子光学系统设计

2019-03-25刘文鑫

深圳大学学报（理工版） 2019年2期

赵超，刘文鑫，王勇，郭鑫，王蒙

1)中国科学院高功率微波源与技术重点实验室，北京100190；2)中国科学院大学，北京100190

太赫兹技术是非常重要的交叉前沿领域，其独特的性质在物理、化学、信息和生物学等基础研究领域，以及材料、通讯、国家安全等技术领域具有重大科学价值和广阔应用前景[1-3]．但由于缺少小型化高功率太赫兹源，致使太赫兹技术无法得到广泛深入的研究．相比其他太赫兹辐射源，真空电子学太赫兹辐射源由于其结构紧凑、输出功率高等优点，是一种重要的太赫兹辐射源．近年来，美国海军实验室、格鲁曼及CPI(Communications and Power Industries)公司对0.22、0.65、0.85 THz及1.03 THz的行波管进行研究，并实现功率输出．中国在真空电子学太赫兹研究主要集中在中国科学院电子学研究所、中国电子科技集团第十二研究所及电子科技大学等单位，近年中国工程物理研究院也对太赫兹真空器件进行了初步研究[4-5]．在真空太赫兹器件工作频率方面，主要集中在0.22 THz和0.34 THz，在0.22 THz的行波管实现了瓦级输出，而在0.34 THz器件输出功率集中在毫瓦量级．对于更高频率的太赫兹真空电子器件目前国内尚未见报道．在变革性项目的支持下，中科院电子所开展了更高频率的太赫兹真空电子器件研究．本文主要对0.5 THz返波管振荡器的电子光学系统进行研究．

电子光学系统是真空电子器件的重要组成部分，主要包括电子注的产生、传输和收集3个物理过程．品质优良的电子光学系统不仅是太赫兹真空电子器件本身需要达到的关键技术指标，同时也影响器件输出功率大小，而且是器件能否在高工作比状态甚至是连续波状态下工作的前提．由于该0.5 THz返波管拟在低工作比下工作，因此该样管的收集极采用常规风冷收集极，本研究详细阐述了样管的电子枪和永磁聚焦系统的仿真设计和结构设计．通过大量模拟计算，结合理论计算和PIC(particle-in-cell)热腔的仿真模拟结果，确定电子枪和聚焦系统的基本参数，最终完成对0.5 THz返波管的电子光学系统设计．

1 电子枪设计

采用皮尔斯枪结构设计0.5 THz返波管的电子枪，其结构主要由阴极、聚束极和阳极构成，如图1．由于电子注通道小，为同时实现高功率输出，需要较长的高频互作用区，即长电子注通道．另一方面，由于阴极结构尺寸大，使电子注能够进入束流通道，导致太赫兹器件的压缩比大．因此，高压缩大长径比电子光学系统的设计是太赫兹器件的难点和重点．为降低电子枪和高频结构的装配难度，阴极结构采用工艺最成熟的圆柱形球面阴极，其材料选择工作寿命长、发射性能稳定的钡钨阴极．图2为0.5 THz返波管拟采用的圆柱形球面钡钨阴极热子组件实物图．管体工作时，阴极周围温度很高，聚束极可能会膨胀和蒸散，所以聚束极选择耐高温，且膨胀系数较低的钼，阳极材料采用无氧铜．

图1 电子枪结构示意图Fig.1 Sketch of the electron gun

图2 圆柱形球面钡钨阴极热子组件实物图Fig.2 Cylindrical spherical cathode-heater subassembly

图3是0.5 THz返波管的周期性光栅高频结构示意图．其中，电子注电压V=23 kV；阴极发射电流I=100 mA，聚焦磁场强度B=9 500 Gauss．高频结构总长度为26 mm，光栅齿高度H=0.11 mm，而电子束流通道半径应小于光栅齿高度，从而将电子束流通道直径R设计为0.2 mm，因此发射电子的阴极面不能太大，否则过大的电子束压缩比会增加电子枪和永磁聚焦系统的难度．另外，阴极直径不能太小，小阴极必然导致阴极表面电流发射密度过大，从而减少阴极的使用寿命，并增加阴极以及相关组件的工艺难度．采用E-gun软件对工作在0.5 THz返波管的电子枪进行大量仿真计算，最终采用发射面曲率半径为3.2 mm，直径为1 mm的阴极．

图3 周期性光栅高频结构Fig.3 High frequency structure of periodic gratings

当工作电压V=23 kV时，阴极发射电流I为105 mA，根据

P=I/V1.5

(1)

得到导流系数P约为0.03 μp．

图4为阴极发射的电子束在无磁场约束下的运动轨迹，可见，电子束腰半径a约为电子通道半径r的85%，电子束压缩比约为35，阴极面电流发射密度为13.4 A/cm2，同时电子束无交叉情况，层流性很好．另外阴极和阳极的轴向和径向距离分别为2.90 mm和4.86 mm，而V=23 kV，因此电子枪内的场强远小于真空环境下的击穿场强[6-9]，电子枪耐压情况良好．为改善阴极发射电子能力，提高束流通过率，将电子枪设计为聚束极控制方式．

图4 静电电子运动轨迹Fig.4 Simulation result of electron trajectory without magnetic field

2 永磁聚焦系统设计

为实现小型化紧凑型太赫兹返波管电子注的稳定传输，从而实现注-波互作用，聚焦磁场采用均匀永磁聚焦结构．布里渊磁场BB可根据静电电子轨迹的束腰半径a确定[10]

(2)

计算得到BB=2 570 Gauss．为减小电子注波动，聚焦方式采用浸没流聚焦，均匀区域的磁场强度设计为BB的3.5～4.0倍，即均匀区磁场强度B应为9 000～10 300 Gauss．

由于采用圆形电子注，磁场的结构设计为轴对称的圆柱型均匀永磁聚焦磁场，根据B=Br+Bz, 其中，Br和Bz分别为聚焦磁场中心轴线上磁场的径向和轴向分量．由于轴线上的Br=0，得到圆柱型均匀永磁聚焦磁场的轴线上B=Bz．
图5为采用Superfish软件模拟得到的均匀永磁聚焦磁场结构以及磁场矢量示意图．该聚焦结构主要由极靴、外磁屏和磁钢构成．其中，极靴和外磁屏的材料均为纯铁，而磁钢采用径向充磁方式，其材料选择矫顽力较大的钕铁硼M48．经大量优化后，均匀区磁场B取值为9 400 Gauss.

图5 永磁聚焦磁场结构示意图Fig.5 Structure of the permanent magnetic focusing system

电子枪区磁场与电子束的匹配情况直接影响到均匀磁场区(高频互作用区)电子束的质量，因此需要将阴极面的磁场设计为最佳阴极面磁场BK，可根据式(3)和式(4)求得[11]．

(3)

(4)

其中，K为阴极参量；rK为阴极半径．计算得到BK=262 Gauss．软件模拟出的阴极面磁场为250 Gauss，约等于理论计算结果，相对误差小于5%．图6为采用Superfish和E-gun软件模拟得到的均匀永磁聚焦磁场强度B在中心轴线上的分布曲线图，两个曲线基本重合．

图6 中心轴线上磁场B的分布曲线Fig.6 Simulation results of magnetic field B curve on the central axis

高频结构的电子通道长度L=26 mm，直径R仅为0.2 mm，长径比高达130，同时电子枪、高频组件以及聚焦磁场在装配和焊接时，其同心度、平行度和垂直度总是存在偏差，所以优化电子光学系统时不能把电子束填充比设计得太大，否则会导致束流通过率不高，样管性能无法达标．如果束流通过率过低，大量电子束轰击高频结构，会造成高频结构的损坏．

图7为最终优化得到的电子束在均匀永磁聚焦磁场下的轨迹．可见，电子束层流性很好，无交叉情况且波动较小，填充比约为75%，但由于样管实际工作时电子注受到高频扰动，因此，当样管工作时电子注填充比会大于75%．

图7 在均匀永磁聚焦磁场约束下电子束轨迹Fig.7 Trajectory of electron beam constrained by uniform permanent magnet focusing magnetic field

周期光栅表面波的强度与光栅表面的距离成反比，因此电子注填充比越大，注-波互作用效率越高，如果电子注填充比太小，注-波互作用效率很低，会导致器件输出功率很小．如图8，电子注填充比分别为70%、75%和80%时，输出功率分别为0.10 W、0.35 W和1.00 W．由于电子枪区的磁场与该区域的电子束的匹配情况，直接影响到高频互作用区的电子束运动轨迹，因此可采用外加铁环的方式改变阴极面磁场BK的强度，调节电子枪区磁场和该区域电子束的匹配情况，从而达到改变电子束填充比的目的．一般来说，调节铁环厚度越大，阴极面的磁场越大．最终根据样管热测时束流通过率和输出信号大小确定调节铁环的厚度d．均匀永磁聚焦磁场的三维剖面和工程图如图9．