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95GHz回旋管的设计与实验 马国武 雷文强 黄银虎 郭焱华 孙迪敏 卓婷婷 胡林林 陈洪斌 中物院应用电子学研究所绵阳919—1016信箱621900 摘要：本文主要针对95GHz回旋管的设计与实验情况进行了阐述。高频腔体的工作模采用了边廊模TE62，热腔优化获 得了37kW的输出功率。为了有利于面向应用，设计了内置准光模式变换系统，用于将TE62模转换为准高斯波束，内 置准光变换的设计效率达到了85％。实验分为两个阶段进行，第一阶段为纵向输出回旋管的实验，输出模式为TE62模， 主要用于验证高频腔体的设计，结果获得了37．6kW的输出功率；第二阶段为内置准光回旋管的实验，将高频腔体产生 的TE62模式变换为准高斯波束进行输出，实验获得了24．8kW的输出功率，波束成形情况良好。该实验结果充分验证了 设计的正确性，下一步的研究将完善冷却收集系统并优化电子枪结构，同时对如何减小杂模成分、提高模式纯度进行研 究，完善杂模滤除的机构，为提高功率、延长工作时间并可靠稳定运行奠定基础。 关键词：准光变换系统，回旋管，边廊模 1引言 回旋管由于其在毫米波及亚毫米波段能产生高脉冲峰值功率与连续波功率…，在材料处理、等离子 体加热、毫米波雷达等领域有着重要的应用。当所需功率较高时，要求注入大电流的电子束进行柬波相 互作用，此时束厚度必然会变厚，且束品质也会由于空间电荷力的增强而有所降低。为了减少腔体工作 对电子束品质的敏感程度，并保证足够的功率容量，采用角向高阶、径向低阶的边廊模式作为工作模是 较好的选择。目前，国际上面向受控热核聚变等离子加热的MW级回旋管B3】所用边廊模角向阶数普遍 达到了数十，径向阶数最高约为20左右，如此高阶的边廊模的采用有效保证了腔体在大电子束流、高 连续波功率下的正常工作。由于边廊模不利于在自由空间远距离传播，为了面向应用，需要将边廊模式 转换为准高斯波束，一种方法是采用传统的模式变换手段，将边廊模通过多级转换并最终形成如TEll 等能量集中的低阶模式再进行辐射，这种方法得到的模式变换系统结构庞大，设计复杂。目前较为常用 的是另一种方法，采用准光模式变换系统进行变换，可以得到截面相位分布良好的准高斯波束，这种方 法结构紧凑，波束质量好。 本文以TE62模为工作模完成了95GHz回旋管的设计。其中腔体采用简单的单腔三段式结构，腔 体末端通过一个Dolph—Chebychev渐变结构与输出波导相接，能够有效提高管内微波传输的模式纯度和 传输效率。内置准光变换系统则由Vlasov辐射器、准抛物面反射镜和两级相位修正镜组成。根据优化 设计的结果研制了两只回旋管，其中第一只为纵向输出回旋管，将高频腔体产生的TE62模式经过输出 窗直接向外辐射输出，用以验证高频腔体的设计结果。第二只为内置准光回旋管，通过内置准光模式变 换系统将高频腔体产生的TE62模式变换为准高斯波束进行输出。纵向输出回旋管的热测实验结果表明， 内置准光回旋管的实验获得了24．8kW的输出功率，波束成形情况良好。该实验结果与设计结果基本一 致，验证了设计的正确性。 2管体物理设计 回旋管是一种驻波作用的器件，其束波互作用结构是具有一系列分立的谐振模式和相应谐振频率的 开放腔体。这些模式满足谐振相位条件： 一L 2I／巴(z)dz+arg(F．)+arg(F，)=2nzc(1) ¨ ‘‘ 一 一 J0 其中岛为腔内波的纵向传播常数，r．、r，为腔体两端的反射系数，L为腔体长度。本文采用了结 构较为简单的三段式单腔作为高频腔体如图1，包含了波截止段、互作用段和渐变输出段。波截止段用 于防止微波向电子枪区泄露，渐变输出段采用了改进型的Dolph—Chebychev渐变波导，其杂模抑制度设 计值大于30dB，可有效提高管内微波传输的模式纯度和传输效率并减短渐变所需长度。当TE62模在 腔体内发生谐振时，计算得到其腔内场分布如图2，腔体的Q值为1120，谐振频率为95．19GHz。 ￡，7Ⅲ L+m 图1高频腔体的结构