反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管
多注速调管是在单注速调管基础上发展起来的高功率微波器件,其采用将多个低导流系数的电子注并行工作的模式,在较低的工作电压下获得高发射电流,从而实现高峰值功率的输出[1-3]。电子直线加速器利用前级功率源的微波功率将电子加速到所需能量,其所能达到的电子能量及整机尺寸极大程度决定于功率源的输出功率等参数。本文研究的反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管主要面向中低能加速器应用方向,是加速器系统的核心器件,其输出功率高、工作稳定、寿命长。对比传统磁控管功率源,多注速调管可工作在高重复频率(500 Hz)及高工作比(0.2%)下,使加速器系统获得更高的射线能量和剂量率,而当应用于无损检测等应用场景时,可获得更高的检测效率与分辨率。本管采用周期反转永磁聚焦系统,质量仅为电磁聚焦系统的1/5~1/10,最大外形尺寸为297 mm×206 mm×442 mm,重量约33 kg,以上特性使其更加易于安装于加速器系统机头,满足整机设备灵活机动的需求。
1 速调管参数及设计方案
1.1 主要技术参数
该速调管目标应用为小型化加速器系统,作为前级功率源仅需点频工作。根据加速管能量及尺寸等设计需求,该管需达到3 MW的峰值功率输出,平均功率6 kW,
表 1. 主要的技术参数
Table 1. Main technical parameters of the klystron
|
1.2 主要设计方案及分析
(1)本管如采用单注速调管的方案,在通常的2 μP导流系数下,脉冲高压将达到100 kV以上,且管体互作用段的长度成倍增加,与之而来的聚焦磁场的尺寸重量也将大大增加。考虑到应用的需求,采用多电子注的方案来降低工作电压,减轻对电源调制器的要求;同时工作电压的降低缩短了高频互作用距离,减轻了整管的重量体积,满足小型化的要求[4-6]。
(2)矩形谐振腔是一种常用的多电子注腔体,在矩形谐振腔中采用TMmnp模为工作模式,谐振频率为
式中:a,b,c分别对应于矩形腔体的长、宽、高;对于工作在同一频率的矩形方腔(a=b),基模TM110的m=1,n=1,p=0,代入式(1)中可得
TM220模的m=2,n=2,p=0,代入式(1)中可得
当TM110模与TM220模的谐振频率一样,同时腔体高度c1=c2时,可得2a1=a2,TM220模的体积是基模TM110的4倍。矩形方腔TM220模存在四个电场强度最大处,在同样的腔高c下,可以安放4倍的基模电子注数量,对于相同的阴极发射电流密度,峰值输出功率可增加为基模的4倍,有利于3 MW高峰值功率的实现。对比多注速调管的基模谐振腔和高次模式谐振腔,本管采用高次模式TM220的矩形谐振腔。但高次模式谐振腔面临非工作模式的抑制,同时由于电子注不再聚集在中心轴线而引起的聚焦难度增加,都需要通过仿真计算来进行设计优化。
(3)为满足小型化的实际应用需求,本管采用周期反转永磁聚焦技术。通过磁场的反转,增加了聚焦长度,减小了永磁聚焦系统的体积和质量,增强整个系统的灵活性,该技术的主要缺点就是不容易实现高的电子注通过率。需要在电子光学设计时,使电子注的波动周期与聚焦磁场的周期相匹配,减少磁场反转时引起的电子发散;又因为高次模式电子注不再位于系统主轴,磁场的横向分量将对聚焦产生影响,应将横向场的场强控制在径向场强的0.1%以下;同时高频互作用腔体的分布应符合聚焦磁场的反转周期结构[7-8]。基于以上原因引起的电子注聚焦困难,在尽可能提高电子注通过率的同时,还应设计高效率的整管散热。
通过分析,本管选择多注多腔的设计,工作在TM220高次模式矩形谐振腔,两周期反转永磁聚焦(PRPM)结构,输入输出为波导盒形窗,收集极和管体为水冷结构。
1.3 电子光学设计[9 -11 ]
电子枪采用阴控多注电子枪,阴极为覆膜钡钨阴极,多电子注分为4组,采用阴极分别内嵌在聚焦极中的结构。由于总发射电流较大,聚焦极平面与阳极平面距离6.1 mm,有一定耐压余量,同时提高电极间的粗糙度,保证电子枪工作的稳定性。利用EGUN程序对单个电子注轨迹进行仿真来实现多注的设计,结果如
图 1. 利用EGUN软件模拟计算的单个电子注轨迹图
Fig. 1. Single electron beam trajectories simulated by EGUN software
本管的聚焦系统采用周期反转永磁聚焦技术,考虑到高频互作用段的长度,由两个反转周期,共三圈磁钢组件来实现,每组由径向磁化的永磁圆环、磁极靴和磁屏组成,
用EGUN软件对单个电子枪引入聚焦磁场进行模拟优化,通过一系列调整,使电子注的波动周期与聚焦磁场的周期相对匹配,电子在通过磁场反转区时径向速度指向电子注轴线,减少磁场反转时引起的电子发散。如
图 5. EGUN软件模拟计算的单个电子注电子光学轨迹图
Fig. 5. Electron optical trajectories of single electron beam simulated by EGUN software
图 6. 三维粒子计算软件模拟多电子注的聚焦情况
Fig. 6. Simulation of multi electron beam focusing by 3D particle computing software
1.4 高频设计
本管采用工作在TM220模的矩形双重入谐振腔结构,在矩形谐振腔侧壁设置调谐机构,方便在测试时对腔体频率进行细调;通过三维软件对谐振腔进行仿真计算,通过改变腔体边长、高度来消除或减少相邻非工作模式的振荡;在矩形腔体中心设计短路结构,来抑制基模的振荡[12-13]。
表 2. 矩形谐振腔谐振模式
Table 2. Resonant mode of rectangular cavity
|
1.5 其他设计
由于周期反转永磁聚焦对管体散热要求较高,本管采用冷却水路直接加工在高频腔体壁上,实现高效率散热;收集极采用双层水冷收集极结构,水路内壁辅助突齿和凹槽结构,满足本管散热要求;输入输出窗采用陶瓷盒型窗。
2 样管测试结果
经过一系列试验及工艺摸索,研制出性能指标满足设计要求的合格样管3支。在脉冲高压50 kV,脉冲电流150 A的条件下进行测试,可在30 MHz工作频带内获得稳定的功率输出,峰值输出功率达到3 MW以上,效率大于40%,达到设计要求。
该速调管主要面向加速器应用方向,
图 12. 应用该速调管样管搭建的加速器测试系统
Fig. 12. The accelerator test system built with the klystron sample tube
3 结 论
本文介绍了一支反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管,其峰值输出功率达到3 MW以上,平均功率可达6 kW。对比传统磁控管驱动的加速器系统,采用该管可实现2倍以上的占空比工作,从而获得更大的辐射剂量率以及更高的X射线能量,为后续C波段加速器产品扩展新的应用方向和应用形式提供技术基础,在工业辐照、放射治疗、无损检测等领域具有广阔的应用前景。
[1] Jr Gilmour A S. Klytrons, travling wave tubes, magrons, crossedfield amplifiers, gyrotrons[M]. Nwood: Artech House, 2011:8094.
[2] Wang Yong, Zhang Rui, Fan Junjie, et al. Development of high peak power multi-beam klystron[J]. Journal of Microwaves, 2012(s2):171-174.
[3] Komarov D A, Yakushkin E P, Paramonov Y N, et al. Development of a Cb high power amplifier klystron f linear electron accelerats[C]IEEE International Vacuum Electronics Conference. 2017.
[4] 丁耀根. 大功率速调管的设计制造和应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 2010: 8290.Ding Yaogen. Design, manufacture application of high power klystron[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2010: 8290
[5] 丁耀根. 大功率速调管的理论和计算模拟[M]. 北京: 国防工业出版社, 2008:197208.Ding Yaogen. They computer simulation of highpower klystron[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2008: 197208
[6] Liu Zening, Shi Jiaru, Peng Maomao, et al. Design of a Cb highefficiency multi beam klystron[C]Proceeding of IPAC. 2017: 42214223.
[7] Frejdovich I A, Nevsky P V, Sakharov V P, et al. Application of the multibeam klystrons with reverse permanent mag focusing system in RF systems of the compact electron accelerats[C]IEEE International Vacuum Electronics Conference. 2006.
[8] Frejdovich I A, Nevsky P V, Sakharov V P, et al. Multibeam klystrons with reverse permanent mag focusing system as the universal RF power sources f the compact electron accelerats[C]Proceedings of RuPAC. 2006: 100102.
[9] 王树忠, 丁耀根, 肖刘. PRPM聚焦多注速调管电子光学系统的研究[J]. 电子与信息学报, 2006(10):1967-1970. (Wang Shuzhong, Ding Yaogen, Xiao Liu. Study on the electron optical system of multi beam klystron with PRPM focusing[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2006(10): 1967-1970
[10] 电子管设计手册编辑委员会. 微波管电子光学系统设计手册[M]. 北京: 国防工业出版社, 1981: 213217.Electronic Tube Design Manual Editial Committee. Design manual f electron optical system of microwave tube[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1981: 213217.
[11] Akimov P I, Balabanov A K, Chudin V G, et al. Cb multybeam klystron with reversal focusing system on permanent mags f electron accelerats [C] IEEE International Vacuum Electronics Conference. 2014.
[15] 柏伟. C波段加速器装置研制[C]中国工程物理研究院科技年报. 2015.Bo Wei. Development of Cb accelerat system[C]Annual Rept of China Academy of Engineering Physics. 2015
左向华, 万知之, 崔萌, 刘静, 董成龙. 反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32(10): 103011. Xianghua Zuo, Zhizhi Wan, Meng Cui, Jing Liu, Chenglong Dong. C-band high-power multi-beam klystron with reverse permanent magnet[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32(10): 103011.