Maximal efficiency versus the amplification factor in double-cavity klystrons

The dependence of the maximal efficiency on the amplification factor is studied for double-cavity klystrons simulated based on real electron-optical systems and real electrodynamic parameters of cavities. Simulation uses a mathematical model of electron beam transformation in a narrow tube and a KlypWin software suite. It is shown that the maximal efficiency of such klystrons, 46–47%, is achieved at an amplification factor of 16–18 dB.     

基于离轴高增益速调管的X波段高功率合成技术研究

为了克服强流高增益速调管放大器中的自激振荡和适应低阻抗脉冲功率源发展的需要,利用高阻抗X波段五腔高增益速调管放大器进行了离轴八注八管高增益速调管功率合成技术研究,在频率为9.47 GHz、模拟输出功率为284 MW、增益为51.6 d B和效率为35.5%条件下,该器件整管微波输出稳定.在三维模型中,在离轴54 mm条件下该器件的微波输出特性稳定.基于实验室现有4.5 T(长1.1 m,室温孔径为150 mm)超导磁体,进行了八注八管高增益速调管的整管模拟,每个器件实现284 MW的微波输出.最后,为实现GW级功率输出,利用HFSS软件设计了用于离轴八注八管高增益速调管功率合成的八合一功率合成器,将该合成器同八注八管高增益速调管结合,模拟得到功率为1.84 GW、增益为50.7 d B、效率为28.8%的微波输出.     

Ka波段带状注相对论速调管模拟研究

利用三维电磁场与粒子模拟软件对Ka波段带状注相对论速调管放大器进行了分析设计和模拟计算。通过对谐振腔本征模的计算确定了腔体的冷腔高频特性,采用三维粒子模拟软件(PIC)模拟分析速调管各腔及整管的束波互作用过程。模拟结果表明:在带状电子注电压500kV、束流1kA、宽高比40∶1,注入微波功率1.94kW和均匀聚焦磁场0.8T的条件下,获得的输出微波功率达到142MW,频率40GHz,效率28.4%,增益约48.6dB。     

新型高功率虚阴极径向反射速调管振荡器

 提出了一种新型的高功率虚阴极径向反射速调管振荡器,它结合了虚阴极振荡器容易起振和速调管微波产生效率较高的特点。利用虚阴极反射电子束对调制腔的正反馈,可以减小起振电流和起振时间,而且提高了微波产生效率。它是一种结构简单、紧凑的器件。用2.5维PIC程序对这种器件进行了数值模拟研究。得到的数值模拟结果表明,输入电压620 kV,电流25 kA,输出微波周期平均功率为2.5 GW。虚阴极振荡频率被锁定,频率为1.25 GHz。     

Ka波段分布作用速调管降压收集极设计

为满足无线传能系统对高效率大功率毫米波功率源的迫切需求,开展大功率连续波速调管高效率技术研究,采用降压收集极技术实现速调管在效率上的有效提升。主要介绍了某Ka波段大功率连续波分布作用速调管(EIK)降压收集极的设计方案,包括注-波互作用后废电子能量分布及行为特性的研究,收集极初始条件、结构及电极电压的设计,给出了单级降压收集极和两级降压收集极的设计和计算结果。三维粒子模拟(PIC)计算结果表明,该Ka波段连续波EIK采用单级降压收集极时回收效率为41.0%,采用两级降压收集极时回收效率为68.8%,EIK总管效率相比于未采用降压收集极技术时的27.5%上升至54.8%,表明通过降压收集极技术可有效提升毫米波大功率速调管工作效率。     

X波段50 MW速调管的研制

介绍了一种X波段高峰值功率速调管的研制方案,目前该管在X波段已经实现脉冲输出功率50 MW,效率57%,脉宽达到3.6μs。通过COM法、圆波导行波窗、防晕环和陶瓷覆膜等关键技术的应用,解决了高效率、高峰值功率容量和高可靠性等难题。尤其是采用COM法优化电子注群聚,与采用二次谐波群聚法相比,在同样的高频管体长度下,可将互作用效率进一步提高10%左右。产品研制成功,将国内X波段速调管的功率水平由3 MW提升至50 MW,产品性能已达到国际先进水平。     

X波段三重轴相对论速调管放大器的设计

分析了同轴腔体间隙束流与电场的相互作用,推导了同轴腔体间隙的耦合系数和电子负载电导,并设计了10⁴ W级注入微波驱动的X波段三重轴相对论速调管放大器,产生了GW级的微波功率输出.通过三维粒子模拟,设计了工作频率为9.37 GHz的三重轴相对论速调管放大器,在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA的条件下,获得的输出微波功率达到1.1 GW,效率为37%,增益为42 dB. 关键词： 同轴腔体 束波互作用 X波段 三重轴相对论速调管放大器     

Design and high-power test of 800-kW UHF klystron for CEPC

To reduce the energy demand and operation cost for circular electron positron collider (CEPC), the high efficiency klystrons are being developed at Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences. A 800-kW continuous wave (CW) klystron operating at frequency of 650-MHz has been designed. The results of beam-wave interaction simulation with several different codes are presented. The efficiency is optimized to be 65% with a second harmonic cavity in three-dimensional (3D) particle-in-cell code CST. The effect of cavity frequency error and mismatch load on efficiency of klystron have been investigated. The design and cold test of reentrant cavities are described, which meet the requirements of RF section design. So far, the manufacturing and high-power test of the first klystron prototype have been completed. When the gun operated at DC voltage of 80 kV and current of 15.4 A, the klystron peak power reached 804 kW with output efficiency of about 65.3% at 40% duty cycle. The 1-dB bandwidth is ±0.8 MHZ. Due to the crack of ceramic window, the CW power achieved about 700 kW. The high-power test results are in good agreement with 3D simulation.     

基于同轴TM812模谐振腔的毫米波多注速调管

 研究了群聚电子注穿越同轴TM₈₁₂模谐振腔的换能效率和同轴TM₈₁₂模谐振腔中微波能量的提取方法,论证了其作为毫米波多注速调管的输出腔的可行性。研究结果表明:理想群聚电子注穿越同轴TM₈₁₂模谐振腔的换能效率可达3.29%,一般群聚电子注穿越同轴TM₈₁₂模谐振腔的换能效率可达1.86%;采用同轴TM₈₁₂模谐振腔与沿轴向的同轴线耦合可以实现微波能量的提取;在输出腔工作频率为100.945 GHz,外观品质因数为2 243情形下,根据估算,最大输出功率可达15 kW。     

相对论速调管三轴提取腔的分析与设计

分析了同轴漂移管中电子束的空间电荷限制流和能量分布，为了降低S波段相对论速调管放大器(RKA)中电子束空间电荷效应及势能，提高RKA的束波转换效率，提出了三轴结构的输出腔，理论分析RKA的束波转换效率达到36%，比同轴提取腔的束波转换效率提高了9个百分点. 采用数值计算程序设计了三轴提取腔，粒子模拟了S波段RKA的微波提取，取得了与理论分析一致的结果. 采用590kV/5kA的空心电子束，经过预调制腔和群聚腔等两个腔的调制后，采用三轴提取腔提取微波，得到了约1.0GW的微波功率，效率35%. 理论研究结果与实验结果吻合得较好. 关键词： 相对论速调管放大器 三轴提取腔 空间电荷限制流     

场分析法与阻抗叠加方法在速调管输出腔间隙阻抗计算中的应用

 从分析速调管输出回路的电磁场分量入手，结合微波电路理论，提出了计算速调管输出回路间隙阻抗的场分析法。对于在谐振模式交叠频带上，群聚电子束电流同时与各模式的阻抗相作用，总阻抗是各模式阻抗的代数叠加的情况，提出了阻抗叠加方法。该方法原则上可求解任意给定间隙电阻所对应的间隙电抗值。计算表明，场分析法与等效间隙阻抗法计算结果最大相对误差为1.5％，阻抗叠加方法计算结果与冷测数据最大相对误差为10％。分析表明，多个谐振模式的引进是速调管输出腔加载滤波器展宽频带的物理实质。     

Ku波段扩展互作用速调管设计

 微波电真空器件随着频率的升高,不但聚焦系统难以实现,而且其输出增益和带宽都受到很大的限制,要解决该问题,建议采用扩展互作用速调管,采用分布作用谐振腔技术来扩展其工作带宽和提高增益。利用CST和粒子模拟(PIC)3维软件对其工作在Ku波段扩展互作用速调管进行了设计和仿真,在工作电压30 kV、束流8.5 A的条件下,聚焦系统采用幅值为0.48 T的周期反转永磁聚焦,在输入功率为5.1 W时,得到效率为23%,3 dB带宽为306 MHz,频带内最大增益为39 dB,其峰值功率为58 kW的微波输出。     

电子束收集极对大间隙速调管输出腔效率的影响

 利用高频电磁软件对带电子束收集极的S波段大间隙输出腔进行了高频特性分析,采用3维PIC程序模拟了电子束收集极对大间隙速调管输出效率的影响。研究结果表明：收集极的存在会改变输出腔的本征谐振频率和电子束路径上的特性阻抗等高频特性,但收集极可以短路间隙附近的径向电场,减小电子束的空间电荷压力,同时对群聚电子进行再加速,从而提高大间隙速调管的输出效率;在束电压700 kV,直流电流6 kA时,优化后的带收集极的大间隙输出腔可稳定提取大于1.68 GW的微波功率,提取效率约40.1%,比无收集极时提高约5%。     

A theory of the cyclotron resonance klystron

A new type of cyclotron resonance generator which has a klystron mechanism for bunching the electrons (a CRK) is studied from a theoretical standpoint. Expressions are obtained for the starting and optimal currents and for the efficiency of the CRK when the initial spreads in the energy of the electrons and in their angle of injection are taken into account. It is shown that efficiency may exceed 50% in a CRK constructed as a two-cavity klystron and reaches 60% in a CRK constructed as a three-cavity klystron. When this happens, the requirements on beam quality are fairly low. Thus, in high-power CRKs the initial spread in energy of the electrons and their angle of injection may be several percent with no major loss of efficiency.Electrophysics Institute, Uralsk Department, Academy of Sciences of the USSR. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 34, No. 2, pp. 177–189, February, 1991.     

基于可编程逻辑阵列的速调管预失真模型

合肥红外自由电子激光（IR-FEL）是一个工作在中红外和远红外波段的自由电子激光装置,为达到其设计指标,需要使用低电平系统（LLRF）对加速腔内加速场的幅度和相位进行监测和控制。但是速调管的输入输出非线性特性,使得近饱和区控制增益降低,导致了反馈效率的降低。设计了基于可编程逻辑阵列（FPGA）的预失真模型对速调管的幅度非线性特性进行修正,并且对2048节点直接查找表算法和32节点线性插值查找表算法进行了比较和在线实验。比较结果显示,在准确度满足要求情况下,直接查找表算法比线性插值查找表算法延迟减少25%,并且资源消耗量要少于线性插值查找表算法。采用基于直接查找表算法的预失真模块在东芝E3729型号速调管上进行了反馈效率的比较,添加预失真模块后反馈效率提高了43%。     

大间隙C波段三轴速调管束流调制模拟研究

利用SUPERFISH软件设计了一种兼具大间隙速调管及三轴速调管优势的C波段大间隙三轴速调管,对所设计大间隙三轴速调管的束流传输及调制情况进行了2维粒子模拟研究。模拟结果表明,三轴速调管设计需要特别关注"模式泄露"问题以及谨慎选择内导体接地支撑杆的位置,以获得稳定传输的电子束。综合考虑上述两个条件,在440 kV的二极管电压下,5.0 GHz,200 MW的强注入功率可以获得11.8 kA的基频调制积分电流,束流调制深度88%,调制电流峰峰值大于40 kA,且调制电流具有良好的频率及相位稳定性。在此基础上,初步模拟得到了大于2.0 GW的平均微波功率,平均效率约33.8%。     

负载不匹配对大功率速调管输出特性的影响

 采用微波等效电路和3维电磁场计算软件研究了负载不匹配对大功率速调管输出腔的谐振频率、间隙阻抗和外观品质因数的影响。并采用1维大信号计算软件研究了负载不匹配对速调管效率的影响。对C波段速调管的研究表明：对于单间隙输出腔,负载不匹配对谐振频率影响较小,对间隙阻抗和等效外观品质因子影响较大,当负载驻波比为1.5时,谐振腔的谐振频率变化约35 MHz,间隙阻抗实部最大值变化为3 660~7 998 Ω,等效外观品质因子变化为36.9~93.5,中心频率处的效率下降4.6%。对于滤波器加载输出电路,负载不匹配对阻抗-频率特性和效率-频率特性有较大影响,当负载驻波比为1.5时,中心频率处的效率下降11.2%。当负载驻波比小于1.2时,负载失配对速调管性能的影响较小。     

Design of a C-band relativistic extended interaction klystron with coaxial output cavity

In order to overcome the disadvantages of conventional high frequency relativistic klystron amplifiers in power capability and RF conversion efficiency, a C-band relativistic extended interaction klystron amplifier with coaxial output cavity is designed with the aid of PIC code MAGIC. In the device, disk-loaded cavities are introduced in the input and intermediate cavity to increase the beam modulation depth, and a coaxial disk-loaded cavity is employed in the output cavity to enhance the RF conversion efficiency. In PIC simulation, when the beam voltage is680 k V and current is 4 k A, the device can generate 1.11 GW output power at 5.64 GHz with an efficiency of 40.8%.     

离轴X波段五腔高增益速调管放大器

利用辛普森算法求解螺线管线圈内磁场分布,证明了离轴磁场能用于电子束的聚束。利用2维粒子模拟程序建立了X波段五腔高增益速调管放大器模型,整管模拟得到了频率9.45GHz、输出功率300MW、增益50.3dB和效率37.5%的微波输出。依此设计了X波段五腔高增益速调管放大器的三维模型,并将其分别放置在线圈中心轴和离轴54mm的位置进行模拟,模拟结果证明工作在离轴状态的器件同样可以进行微波放大。最后,对一个螺线管线圈内放置七个器件的状态进行了三维模拟,其合成功率输出可达2GW。     

X波段相对论速调管放大器同轴双间隙输出腔输出特性

 设计了工作在X波段的相对论速调管放大器同轴双间隙输出结构,并采用3维PIC程序对其进行了粒子模拟,分析了输出微波功率随直流渡越角、输出腔品质因数值等相关参数的变化,对输出腔体结构进行了优化设计。模拟结果表明：同轴双间隙输出结构可以降低束流的势能,增加束流与腔体的作用时间,提高速调管的微波提取效率。模拟中采用束压600 kV、束流5 kA、调制深度100%和峰值频率9.37 GHz的电子束以及1T的轴向引导磁场强度,得到了周期平均功率1.2 GW、峰值频率9.37 GHz、效率40%的微波输出。