速调管输入腔开放腔的高频特性分析与实验研究

　　强流相对论速调管放大器(RKA)由电子枪、高频系统和微波种子源等组成[1-2]。高频系统是RKA的核心,决定RKA性能的关键部分,它包括输入腔、中间腔和输出腔。输入腔是RKA的一个重要组成部分,输入腔的工作模式一般是角向均匀的TM0n模,外加的高频信号通过标准矩形波导耦合注入输入腔,在腔内间隙上形成驻波场,对通过腔间隙的均匀电子束进行速度调制。在输入腔束流调制实验中发现的一个主要问题是注入输入腔内的高频信号反射较大,即高频能量没有全部被电子束和腔体吸收。为了使高频信号匹配注入输入腔,腔体有载品质因数(Ql)很低,要求微波注入波导与输入腔侧壁相接时开大的耦合孔,大耦合孔对腔体的谐振频率、间隙场分布的对称性有很大的影响[3],且腔体开了耦合孔后变为3维结构。对于3维结构的输入腔,用解析法难以得到其高频参数,尤其是高频信号注入腔体后的吸收情况只能采用3维全电磁粒子模拟程序进行模拟。国外有很多文献对RKA输入腔的束流调制进行了理论分析[4-5],国内也有文献对L波段输入腔进行了数值计算和实验研究[6]。本文采用3维软件分析带矩形标准波导的S波段速调管输入腔开放腔的高频特性,并对已加工的输入腔进行了冷测实验研究。

　　1　输入腔的高频分析

　　带矩形标准波导的输入腔3维模型结构如图1所示,高频信号注入输入腔的物理过程与文献[7]相同,即输入的高频信号在矩形波导中为TE10模,经过耦合孔注入输入腔,在腔中激励起工作模式TM01模。环形阴极发射的电子束穿过对工作模式截止的漂移管进入输入腔,电子束的速度受到输入腔间隙场的调制,在随后的漂移管中群聚。

　　1.1　输入腔的设计考虑

　　由于在输入腔某一侧开了大耦合孔后,腔内的磁场受到扰动,腔间隙上电场不再轴对称且角向场变得不均匀,最大值偏向开孔的一侧。为了解决大耦合孔对腔内电场分布轴对称的影响,让电子束穿过输入腔间隙时,在同一截面受到尽量均匀电场的调制,采用了耦合孔远离作用间隙的设计,即在腔体鼻锥的一侧开耦合孔,主要作用是重入鼻锥使耦合孔对间隙电场的不均匀性有屏蔽作用,减小耦合孔处的不均匀场对腔间隙场的影响。

　　1.2　输入腔的谐振频率和场分布

　　根据建立的输入腔模型,采用3维电磁软件对输入腔开放腔的谐振频率进行了计算,腔体的谐振频率由腔间隙电压经过快速傅里叶变换得到,如图2所示,图中最低3个模式分别为λTM01/4,2λTE11/4,5λTM01/4(λ为器件工作波长)。TM01为角向均匀模式,是RKA需要的主模,对于S波段RKA来说,图中2.86 GHz对应的5λTM01/4模式为工作模式。图3为腔间隙处横截面上频率为2.86 GHz的磁场分布,可以看出该模式在输入腔间隙上建立了角向较均匀的场分布,有利于对束流的调制。