劉振幫 金曉 黃華 王騰鈁 李士鋒

(中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所,高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽(yáng) 621900)

多注相對(duì)論速調(diào)管放大器可在較高的工作頻段實(shí)現(xiàn)GW 級(jí)功率微波產(chǎn)生,在很多領(lǐng)域得到了發(fā)展和應(yīng)用.多注相對(duì)論速調(diào)管中強(qiáng)流相對(duì)論多注電子束相互之間存在空間電磁場(chǎng)的作用,使得多注電子束從二極管引入多注漂移管,以及在多注漂移管中的傳輸運(yùn)動(dòng)受到影響,導(dǎo)致電子束會(huì)轟擊到管壁上,早期實(shí)驗(yàn)中多注電子束的傳輸通過(guò)率較低.本文對(duì)功率數(shù)GW 的強(qiáng)流相對(duì)論多注電子束在二極管與多注漂移管中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了理論分析與粒子仿真模擬,得到強(qiáng)流相對(duì)論多注電子束的傳輸運(yùn)動(dòng)規(guī)律.對(duì)多注二極管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)流相對(duì)論多注電子束的傳輸通過(guò)率達(dá)到99%,并且開(kāi)展了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)在電子束電壓為801 kV,電流為9.3 kA 的情況下,電子束的傳輸通過(guò)率達(dá)到92%.

1 引 言

相對(duì)論速調(diào)管放大器(relativistic klystron amplifier,RKA)是一類非常重要的高功率微波器件,具有高功率、高效率、微波頻率與相位穩(wěn)定可控的優(yōu)點(diǎn),在雷達(dá)、通信系統(tǒng)、高能加速器等領(lǐng)域有非常廣泛的發(fā)展和應(yīng)用[1?8].應(yīng)用需求的發(fā)展要求進(jìn)一步提高RKA 的等效輻射功率 P f2(功率與頻率平方的乘積),提高RKA 的輸出功率與工作頻率.常規(guī)RKA 采用單注漂移管結(jié)構(gòu),且漂移管需要對(duì)各諧振腔進(jìn)行隔離,因此漂移管的徑向尺寸隨工作頻率增加而急劇減小,器件的輸出功率和工作頻率受到限制,Friedman 等[9]得到常規(guī)結(jié)構(gòu)RKA 輸出功率P 與工作頻率f 關(guān)系的半經(jīng)驗(yàn)公式為P∝1/f–N,N ≈ 2,因此常規(guī)結(jié)構(gòu)RKA 在X 波段難以實(shí)現(xiàn)GW 級(jí)功率的微波輸出[10?13].項(xiàng)目組發(fā)展并設(shè)計(jì)了過(guò)模同軸多注RKA[14?16],基于多電子注技術(shù)的過(guò)模多注RKA,每一注電子束在分隔的漂移管中傳輸,同時(shí)多注電子束采用共同的過(guò)模同軸諧振腔,器件徑向尺寸不再受到工作頻率的限制,突破了常規(guī)結(jié)構(gòu)RKA 的物理限制,提高了器件的工作頻率和輸出功率,仿真設(shè)計(jì)多注RKA 在毫米波波段能夠?qū)崿F(xiàn)GW 級(jí)功率輸出,實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了在X 波段功率GW 級(jí)微波鎖頻鎖相輸出.與常規(guī)大功率多注速調(diào)管相比較,大功率多注速調(diào)管的工作電流一般為數(shù)A 量級(jí),而多注RKA 的工作電流通常達(dá)到數(shù)kA 量級(jí).工作電流的急劇增大,使得強(qiáng)流相對(duì)論電子束的空間電荷效應(yīng)成為影響電子束傳輸?shù)闹匾蛩?在強(qiáng)流相對(duì)論情況下,多注電子束之間的相互作用會(huì)影響電子束從二極管引入多注漂移管,以及在多注漂移管中的傳輸過(guò)程.早期設(shè)計(jì)的多注二極管電子束傳輸通過(guò)率較低,實(shí)驗(yàn)傳輸通過(guò)率低于80%,嚴(yán)重影響了多注RKA 的整管效率[17,18].本文以16 注X 波段多注RKA 為模型,對(duì)功率數(shù)GW 的強(qiáng)流相對(duì)論多注電子束的傳輸過(guò)程進(jìn)行分析研究,分析表明強(qiáng)流多注相對(duì)論電子束在二極管與多注漂移管的傳輸過(guò)程中存在旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),會(huì)導(dǎo)致電子束中心偏移和束斑橫截面積增大,使得電子容易轟擊到管壁引起束流損失.對(duì)多注二極管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)多注陰極材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),改進(jìn)二極管陽(yáng)極內(nèi)外結(jié)構(gòu)尺寸,抑制了多注陰極側(cè)面的電子束發(fā)射,使電子束集中于石墨陰極的前端面發(fā)射,提高了強(qiáng)流相對(duì)論多注電子束的傳輸通過(guò)率.

2 強(qiáng)流多注電子束傳輸過(guò)程空間電磁場(chǎng)的作用

強(qiáng)流多注電子束在二極管與多注漂移管中的傳輸如圖1 所示,設(shè)定電子束繞系統(tǒng)中心環(huán)向等間距排列,電子束注數(shù)n= 16,每一注電子束的半徑為rb,每一注漂移管半徑為rd,電子束中心與器件系統(tǒng)中心的距離為r0,陽(yáng)極半徑為r1,多注電子束在外加軸向引導(dǎo)磁場(chǎng)Bz的作用下傳輸.

設(shè)定電子束電壓為U0,電流為I0,陰陽(yáng)極間距為lgap,電子靜止質(zhì)量為me,電子電荷量為e,真空中光速為c.電子束的軸向運(yùn)動(dòng)速度為vz,每一注電子束電荷的線密度λe=I0/(nvz).多注電子束從陰極發(fā)射達(dá)到陽(yáng)極的過(guò)程中,各注電子束之間電磁場(chǎng)力的作用會(huì)對(duì)電子束的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響.設(shè)定某一電子束為基準(zhǔn),求得其他電子束對(duì)該束電子的電場(chǎng)作用力FE1由系統(tǒng)中心指向外,其他電子束對(duì)基準(zhǔn)電子束的磁場(chǎng)作用力FB1由外指向系統(tǒng)中心,則其他電子束對(duì)某束電子的徑向合作用力為

圖1 強(qiáng)流多注電子束二極管結(jié)構(gòu)示意圖 (a) y-z 截面; (b)漂移管處x-y 截面Fig.1.Sketch structure of the multiple electron beams diode: (a) The y-z section; (b) the x-y section of drift tubes.

式中Er1為其他電子束對(duì)該電子束產(chǎn)生的電場(chǎng)之和,Bθ1為其他電子束對(duì)該電子束產(chǎn)生的磁場(chǎng)之和,ε0為真空介電常量.由于電子運(yùn)動(dòng)速度小于光速,因此其他電子束對(duì)某束電子的作用合力為由系統(tǒng)中心指向外,該作用力會(huì)使得各束電子向外擴(kuò)散.為了約束電子束運(yùn)動(dòng),需要外加軸向引導(dǎo)磁場(chǎng)Bz,爆炸發(fā)射陰極通常采用浸沒(méi)流,二極管處于均勻磁場(chǎng)區(qū).考慮相對(duì)論效應(yīng)情況下電子運(yùn)動(dòng)方程的徑向分量[19]:

式中σ0= 1 + |eU0|/(mec2).對(duì)于理想聚焦,在無(wú)外界高頻擾動(dòng)的情況下多注電子束到系統(tǒng)中心的距離應(yīng)保持不變,即:

則可以得到多注電子束通過(guò)陰陽(yáng)極間距的時(shí)候,沿角向的旋轉(zhuǎn)速度為.設(shè)定電子束中心與器件系統(tǒng)中心的距離為r0= 35 mm,電子束電流I0=9 kA,在陰陽(yáng)極間距離lgap= 40 mm,不同二極管電壓U0時(shí),多注電子束到達(dá)陽(yáng)極端面時(shí)繞系統(tǒng)中心沿角向的旋轉(zhuǎn)距離Δl0隨引導(dǎo)磁場(chǎng)的變化如圖2 所示.

圖2 多注電子束到達(dá)陽(yáng)極端面時(shí)繞系統(tǒng)中心的旋轉(zhuǎn)距離Δl0 隨引導(dǎo)磁場(chǎng)的變化Fig.2.Rotation distance Δl0 vs.Bz at different U0.Δl0 represents the rotation distance of the multi-beams around the center of the system when they reach the anode end face.

式中t1為電子從陰極端面運(yùn)動(dòng)到陽(yáng)極的時(shí)間.

由圖2 可知: 多注電子束到達(dá)陽(yáng)極端面時(shí)沿角向的旋轉(zhuǎn)距離隨引導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而減少; 相同引導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度情況下,旋轉(zhuǎn)距離隨電壓增大而減少.

當(dāng)多注電子束到達(dá)陽(yáng)極,進(jìn)入多注漂移管之后,由于多注漂移管為分離結(jié)構(gòu),多注電子束之間被漂移管壁隔離,因此多注電子束之間的電場(chǎng)作用力被屏蔽,但由于器件所用材料一般為無(wú)磁性良導(dǎo)體材料,因此多注電子束之間的磁場(chǎng)作用力依然存在,其他各注電子束對(duì)某注電子束磁場(chǎng)作用的合力為FB1由外指向系統(tǒng)中心,使得多注電子束在多注漂移管中繞系統(tǒng)中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向與在二極管時(shí)相反.同樣地,可以得到電子在多注漂移管中沿角向的旋轉(zhuǎn)速度:

多注電子束在二極管和漂移管中運(yùn)動(dòng)時(shí),除了多注電子束之間電磁場(chǎng)力相互作用外,每一注電子束由于自身的空間電荷力也會(huì)使其發(fā)生繞各注電子束自身中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).其中電場(chǎng)作用力FE2由各注電子束的中心指向外,磁場(chǎng)作用力FB2由外指向各注電子束的中心,每注電子束徑向力的合力為

式中Er2和Bθ2分別為每注電子束自身產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng).由電子束運(yùn)動(dòng)方程可以得到

設(shè)定每一注電子束半徑為3 mm,不同二極管電壓下,電子束繞自身的旋轉(zhuǎn)角速度隨引導(dǎo)磁場(chǎng)的變化如圖4 所示.

圖3 多 注電子束在漂移管中 的旋 轉(zhuǎn)角速度 隨引導(dǎo)磁場(chǎng)的變化Fig.3.Rotation angular velocity vs.Bz at different U0. represents the rotation angular velocity of multibeams in drift tube.

圖4 多注電子束繞束自身旋轉(zhuǎn)角速度 隨引導(dǎo)磁場(chǎng)的變化Fig.4.Angular velocity of the multi-beams rotation around themselves vs.Bz at different U0. represents the angular velocity of the multi-beams rotation around themselves.

多注電子束在器件中傳輸運(yùn)動(dòng)時(shí),各注電子束之間的作用力與每注電子束自身作用力的和力是矢量疊加.因此當(dāng)外加軸向引導(dǎo)磁場(chǎng)方向與電子束運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí),在二極管陰陽(yáng)極間隙,各注電子束繞器件系統(tǒng)中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),各注電子束中心位置逆時(shí)針偏移,同時(shí)每一注繞各注自身逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);進(jìn)入多注漂移管后,各注電子束繞器件系統(tǒng)中心變?yōu)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn),各注電子束中心位置變?yōu)轫槙r(shí)針偏移,同時(shí)每一注電子束繞各注自身仍為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn).強(qiáng)流多注電子束在二極管區(qū)域與在多注漂移管中繞系統(tǒng)中心的旋轉(zhuǎn)方向是相反的.

當(dāng)電子從陰極底座側(cè)邊和陰極桿發(fā)射時(shí),電子存在初始的徑向運(yùn)動(dòng)速度vr,此時(shí)電子運(yùn)動(dòng)方程(2)式、(6)式和(8)式需要考慮evrBz項(xiàng)的影響,該項(xiàng)式的存在會(huì)使得多注電子束的旋轉(zhuǎn)偏移增大,并導(dǎo)致每一注電子束束斑進(jìn)一步擴(kuò)大.由于多注電子束在通過(guò)陰陽(yáng)極間隙以及在多注漂移管中運(yùn)動(dòng)時(shí),存在旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),因此電子束與漂移管壁之間需要設(shè)計(jì)足夠的距離空間,以及需要外加一定強(qiáng)度的引導(dǎo)磁場(chǎng),并需要優(yōu)化設(shè)計(jì)多注二極管以減少電子從陰極底座側(cè)邊和陰極桿側(cè)邊發(fā)射,以避免多注電子束轟擊到器件管壁上導(dǎo)致束流損失.

3 強(qiáng)流多注電子束二極管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)功率數(shù)GW 的強(qiáng)流多注電子束產(chǎn)生,多注二極管采用爆炸發(fā)射冷陰極結(jié)構(gòu),由于二極管工作電壓較高,達(dá)到數(shù)百kV,陰極底座和陰極桿側(cè)面電場(chǎng)強(qiáng)度較高,接近爆炸發(fā)射閾值,當(dāng)多注二極管設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí),陰極桿側(cè)面會(huì)存在大量電子發(fā)射,而從該處發(fā)射的電子存在初始的r方向運(yùn)動(dòng)速度vr,由前面的理論分析可知,電子存在初始的vr時(shí),多注電子束在二極管和漂移管中的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)增大,使得電子束轟擊到管壁上,導(dǎo)致束流損失.為此,對(duì)強(qiáng)流多注二極管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).在二極管電壓為U0時(shí),陰極底座和陰極桿側(cè)面的電場(chǎng)為[20]

由同軸線理論可知,當(dāng)二極管陽(yáng)極與陰極半徑的比值r1/r0= 2.72 時(shí),固定外導(dǎo)體半徑的同軸線具有最大耐壓.因此在電子束中心與器件系統(tǒng)中心的距離r0= 35 mm 不變的情況下,設(shè)計(jì)陽(yáng)極半徑由原先的r1= 75 mm 增大為r1= 95.2 mm,以降低陰極底座和陰極桿側(cè)面的電場(chǎng)強(qiáng)度.

在陰極材料選擇上,多注陰極前端設(shè)計(jì)采用爆炸發(fā)射閾值較低的石墨,多注陰極其他部分采用爆炸發(fā)射閾值較高的無(wú)磁不銹鋼,以減少陰極底座和陰極桿側(cè)面的電子發(fā)射.優(yōu)化設(shè)計(jì)二極管陰陽(yáng)極端面結(jié)構(gòu),使陽(yáng)極內(nèi)導(dǎo)體前端突出5 mm,即陽(yáng)極內(nèi)導(dǎo)體更靠近陰極,陰陽(yáng)極間距變?yōu)?5 mm.同時(shí)采用電磁場(chǎng)仿真軟件通過(guò)參數(shù)掃描迭代算法,得到最佳的陽(yáng)極漂移管入口的導(dǎo)角尺寸.陽(yáng)極外導(dǎo)體漂移管入口導(dǎo)角為11 mm,陽(yáng)極內(nèi)導(dǎo)體漂移管入口導(dǎo)角為10 mm,石墨陰極頭直徑為6 mm,陰極頭前端端面導(dǎo)角為3 mm.不銹鋼陰極桿直徑為2 mm,不銹鋼陰極底座r0= 35 mm,底座端面導(dǎo)角為2 mm.二極管電場(chǎng)集中在石墨陰極頭前端面且均勻分布,使得絕大部分電子從石墨陰極頭的前端面發(fā)射.優(yōu)化設(shè)計(jì)前后多注二極管陰陽(yáng)極間的電場(chǎng)分布如圖5 所示.

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的多注陰極結(jié)構(gòu)與電場(chǎng)分布 (a)改進(jìn)設(shè)計(jì)前; (b)改進(jìn)設(shè)計(jì)后Fig.5.Electric field distribution of the multi-beam cathodes: (a) Before the improved design; (b) improved design.

采用三維粒子仿真軟件對(duì)強(qiáng)流多注二極管進(jìn)行多注電子束產(chǎn)生與傳輸?shù)哪M計(jì)算.設(shè)定二極管電壓U0= 800 kV,軸向引導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz=1 T,引導(dǎo)磁場(chǎng)方向?yàn)閦正向(與電子束傳輸方向相同),每一注陰極半徑rb= 3 mm,陽(yáng)極半徑r1=95.2 mm,電子束注數(shù)n= 16 注,陰陽(yáng)極間距離lgap= 35 mm,電子束中心與器件系統(tǒng)中心的距離r0= 35 mm,每一注漂移管半徑rd= 5 mm,多注漂移管長(zhǎng)度為600 mm.

粒子仿真在二極管電壓U0= 800 kV 時(shí),爆炸發(fā)射產(chǎn)生總束流為9.1 kA,傳輸?shù)蕉嘧⑵乒苣┒说目偸鳛?.99 kA,傳輸通過(guò)率約為99%.束流損失產(chǎn)生在電子束從二極管引入多注漂移管的入口處,其原因?yàn)殛帢O爆炸發(fā)射產(chǎn)生電子過(guò)程中,除了石墨陰極頭產(chǎn)生電子外,陰極底座和陰極桿側(cè)面仍會(huì)有極少量電子發(fā)射,而從陰極底座和陰極桿側(cè)面發(fā)射的電子難以引入到多注漂移管中,會(huì)轟擊到陽(yáng)極表面,導(dǎo)致在該處存在束流損失.之后電子束在多注漂移管中傳輸時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)束流損失.多注電子束在二極管和漂移管中的三維傳輸軌跡如圖6 所示.

圖6 多注電子束在二極管和漂移管中傳輸Fig.6.Tracks of the multiple electron beams in the diode and drift tubes.

由圖6 可以看出,多注電子束在二極管和多注漂移管中傳輸時(shí)存在繞系統(tǒng)中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和每一注電子束繞自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).在二極管陰陽(yáng)極區(qū)域和在多注漂移管中,多注電子束繞系統(tǒng)中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反.圖7 為分別對(duì)距離石墨陰極頭發(fā)射端面1,40 mm 和600 mm 處多注電子束束斑的監(jiān)測(cè)結(jié)果.

在z = 1 mm 處,電子束半徑為3 mm,各注電子束中心無(wú)明顯偏移.在z = 40 mm 處,電子束截面扭變?yōu)闄E圓形,長(zhǎng)邊半徑為3.23 mm,短邊半徑為3 mm,各注電子束中心逆時(shí)針偏移1.25 mm,而按照之前理論推導(dǎo)公式計(jì)算得到的偏移距離為1.23 mm,兩者基本相符合.在z = 640 mm 處,電子束形變加劇,長(zhǎng)邊半徑為3.56 mm,短邊半徑為3.05 mm,各注電子束中心變?yōu)轫槙r(shí)針偏移0.61 mm.粒子仿真計(jì)算得到的電子束運(yùn)動(dòng)軌跡與理論分析得到的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相符合.

4 強(qiáng)流多注電子束二極管的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在長(zhǎng)脈沖功率源平臺(tái)上開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)后的強(qiáng)流多注二極管驗(yàn)證實(shí)驗(yàn).脈沖功率源能夠達(dá)到的最大電功率約為8 GW.實(shí)驗(yàn)中每一注陰極半徑rb=3 mm,電子束中心與器件系統(tǒng)中心的距離r0=35 mm,陽(yáng)極半徑r1= 95.2 mm,電子束注數(shù)n =16 注,陰陽(yáng)極間距離lgap= 35 mm,每一注漂移管半徑rd= 5 mm,多注漂移管長(zhǎng)度為600 mm.二極管陰極、陽(yáng)極以及多注漂移管處于磁場(chǎng)螺旋線管線圈中,螺旋管線圈產(chǎn)生的軸向引導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度為1 T,磁場(chǎng)方向與電子束傳輸方向相同.實(shí)驗(yàn)中二極管和多注漂移管內(nèi)的真空度約為5×10–3Pa.采用電阻分壓器測(cè)量脈沖功率源的電壓,在多注二極管前端設(shè)置一個(gè)羅戈夫斯基線圈測(cè)量脈沖功率源產(chǎn)生的總電流.在多注漂移管末端采用一個(gè)法拉第筒測(cè)量達(dá)到末端的電子束總電流.實(shí)驗(yàn)前采用高精度歐姆表和電流表對(duì)羅戈夫斯基線圈和法拉第筒的阻值進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量,得到相應(yīng)的變比關(guān)系.多注二極管實(shí)驗(yàn)開(kāi)展前,二極管陽(yáng)極先接大尺寸圓柱漂移管結(jié)構(gòu)(漂移管半徑為45 mm),在低功率和強(qiáng)磁場(chǎng)條件下(電子束功率約為 GW,磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度為1 T),對(duì)束流測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn),此時(shí)電子束傳輸通過(guò)率接近100%.之后二極管陽(yáng)極接多注漂移管開(kāi)展多注二極管實(shí)驗(yàn).強(qiáng)流多注二極管結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量示意圖如圖8 所示.

圖7 多注電子束在離陰極頭端面不同距離處的束斑 (a)距離 1 mm; (b)距離40 mm; (c)距離640 mmFig.7.Transections of the multiple electron beams with different distance between the cathode head: (a) The distance of 1 mm;(b) the distance of 40 mm; (c) the distance of 640 mm.

圖8 多注電子束束流測(cè)量實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.8.Sketch structure of the experimental system for multi-beams measurement.

測(cè)量得到脈沖功率源典型的電壓、電流以及末端法拉第筒電流波形如圖9 所示.

實(shí)驗(yàn)連續(xù)測(cè)量3 次電子束電壓、電流以及末端法拉第筒電流如表1 所列.

圖9 電子束電壓、電流與法拉第筒電流波形Fig.9.Voltage,current,and Faraday-cup current of the electron beam.

表1 電子束電壓、電流以及末端法拉第筒電流參數(shù)Table 1.Electron beam voltage,current and terminal Faraday tube current parameters.

實(shí)驗(yàn)連續(xù)測(cè)量3 次得到電子束平均參數(shù),電壓為801 kV,電流為9.3 kA,電子束功率為7.4 GW,末端法拉第筒電流為8.6 kA,即多注電子束通過(guò)率約為92%,與粒子仿真結(jié)果基本相符合.電子束電壓脈寬為175 ns,電流脈寬為171 ns,法拉第筒電流脈寬為171 ns.在多注漂移管末端z= 640 mm處放置無(wú)磁不銹鋼靶片,測(cè)量得到末端的電子束束斑如圖10 所示.

圖10 多注漂移管末端的電子束束斑Fig.10.Spots of the multiple electron beams at the end of the drift tube.

由圖10 可知電子束的注數(shù)為16 注,實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到多注電子束的束斑形狀與仿真結(jié)果相似.各束斑長(zhǎng)邊半徑與窄邊半徑尺寸分布如圖11 所示.

對(duì)各束斑尺寸取平均值,長(zhǎng)邊半徑約為3.48 mm,短邊半徑約為2.86 mm.實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的束斑尺寸比仿真值偏小,一方面是由于電子束邊緣處的電子密度相對(duì)較小,在金屬板上的轟擊痕跡不明顯,引起兩者之間有略差別; 另一方面實(shí)驗(yàn)中多注陰極、多注漂移管以及磁場(chǎng)螺線管線圈在安裝過(guò)程中存在一偏差,導(dǎo)致三者的軸心不在同一直線上,使得每一注電子束的束斑略有差別,以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到多注電子束的通過(guò)率略低于粒子模擬結(jié)果.由圖10 可知,5#一側(cè)的束斑整體比13#一側(cè)的束斑略偏小.由于脈沖功率源和磁場(chǎng)螺線管線圈的體積與重量都很大,在安裝過(guò)程中要使多注陰極、多注漂移管及螺線管線圈的軸心偏差控制在0.1 mm 量級(jí),難度較大.下一階段實(shí)驗(yàn)中,設(shè)計(jì)將脈沖功率源、多注二極管和螺線管線圈安裝在較高精度的同一軌道上,并設(shè)計(jì)較為精密的機(jī)械調(diào)節(jié)安裝結(jié)構(gòu)和光學(xué)瞄準(zhǔn)部件,以減少三者軸心的偏差.

圖11 多注電子束束斑尺寸分布Fig.11.Size of the multiple electron beams spots.

5 結(jié) 論

對(duì)功率數(shù)GW 的強(qiáng)流多注相對(duì)論電子束在二極管與多注漂移管中的傳輸過(guò)程進(jìn)行了理論與仿真分析,分析表明多注電子束之間存在電磁場(chǎng)作用力.當(dāng)外加軸向引導(dǎo)磁場(chǎng)方向與電子束運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí),在二極管陰陽(yáng)極間隙中各注電子束繞器件系統(tǒng)中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),而在多注漂移管中各注電子束繞器件系統(tǒng)中心變?yōu)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn),同時(shí)在陰陽(yáng)極間隙和多注漂移管中每一注電子束還繞各注自身逆時(shí)針旋轉(zhuǎn).繞系統(tǒng)中心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的存在使得多注電子束中心發(fā)生偏移,各注電子束繞自身旋轉(zhuǎn)會(huì)使電子束束斑擴(kuò)散,都可能會(huì)使電子束轟擊到管壁上,導(dǎo)致束流損失.對(duì)強(qiáng)流多注二極管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)中考慮了多注電子束旋轉(zhuǎn)偏移的影響,多注陰極與多注漂移管之間設(shè)計(jì)有足夠的尺寸距離以避免電子束偏移轟擊管壁.同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)多注陰陽(yáng)極結(jié)構(gòu)與材料,使電場(chǎng)集中在陰極頭并且分布均勻,降低陰極底座和陰極桿側(cè)面的電場(chǎng)強(qiáng)度,以及采用發(fā)射閾值較低的石墨作為陰極頭,使電子束集中從石墨陰極頭的前端面發(fā)射,以提高強(qiáng)流相對(duì)論多注電子束的傳輸通過(guò)率,粒子模擬仿真強(qiáng)流多注電子束的通過(guò)率達(dá)到99%.在脈沖功率源上開(kāi)展了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)連續(xù)測(cè)量3 次取平均值,電子束電壓為801 kV,電流為9.3 kA,電子束功率為7.4 GW,多注電子束的傳輸通過(guò)率約為92%.實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)功率數(shù)GW 的強(qiáng)流相對(duì)論多注電子束穩(wěn)定產(chǎn)生和較高通過(guò)率傳輸,有利于提高多注RKA的整體轉(zhuǎn)換效率和器件工作穩(wěn)定性.