4-27  S波段长脉冲相对论速调管放大器的初步研究

黄  华  范植开  谭  杰  罗光耀  李正红  吴  勇  孟凡宝

根据脉冲缩短机理分析结果和本工作提出的抑制措施，S波段RKA的高频系统采用了高阶工作模式，输入腔采用5l/4的工作模式，采用了以3l/4为工作模式的中间腔，采用了3l/4为工作模式的输出腔。采用Superfish程序计算了高频系统内部的电磁场分布，并且采用了Mafia程序对三维结构的输入腔和输出腔内部的电磁场分布及多种模式特性进行了分析。实验中，调试出了有载Q值可调的输入腔，频率范围为2.83~2.93 GHz、有载Q值范围为25 ~110；设计加工了频率可调的中间腔；设计、加工和调试了有载Q值为11的输出腔。

采用粒子模拟程序，对强流相对论电子束经过RKA输入腔、中间腔间隙后的调制情况进行了分析，优化了对中间腔参数。采用500 kV，3 kA的环行电子束，经过两个腔体的调制后，得到了2.1 kA的最大基波调制电流。采用单间隙的输出腔进行了微波提取的模拟。同时，对RKA输出微波功率随环行电子束厚度、电子束与漂移管壁的距离、引导磁场强度、注入微波功率等参数的变化情况进行了模拟。模拟结果发现，电子束厚度为6 mm时，输出微波功率最大；随电子束距漂移管壁距离的增大，束波转换效率逐渐降低；经过一系列参数的优化，RKA的输出微波功率最大可以达到430 MW，效率29%。显然，对于长脉冲强流RKA，实验中比较难达到模拟的最佳工作参数，否则容易造成脉冲缩短现象。

实验中，采用450 kV，2.8 kA，800 ns的环行电子束，经过优化调节输入腔和中间腔参数，使强流调制电子束流脉冲脉宽由100 ns增宽到500 ns，同时得到了1.5 kA的基波调制电流，加上微波提取腔后，得到了功率100~220 MW、脉宽200~500 ns输出微波，器件效率19%，增益30 dB。但是，实验中还是存在明显的脉冲缩短问题，需要对高频系统进行进一步的优化设计。