同轴引出电子束相对论返波振荡器的粒子模拟

　　相对论返波振荡器(RBWO)具有结构紧凑、效率高和运行稳定等特点[1-5]。目前,研究主要集中在X,C和S波段,对L波段的研究较少[6-7],主要原因在于L波段的RBWO体积较大,不利于加工和实验。

　　同轴RBWO在电子束与慢波结构(SWS)相互作用区半径不大的情况下,可以较容易地实现L波段的微波输出[8-11],因此可采用同轴慢波结构以减小器件的径向尺寸。针对非同轴结构的RBWO,其残余电子是打到输出波导壁上被吸收的,较容易引起二次电子发射,产生输出微波脉冲缩短现象。采用同轴引出电子束结构,不但可以避免残余电子打到输出波导壁上,而且在参数选择适当的条件下,可以得到高的产生效率[12-13]。

　　本文设计了一种L波段同轴引出电子束RBWO,利用2.5维全电磁粒子模拟程序对其进行了粒子模拟研究,结果表明:器件在小型化、中等磁场的前提下,有较高的束-波转换效率。给出了器件产生微波频率、束-波转换效率随二极管电压及导引磁场的变化关系。

　　1　模型设计与分析

　　同轴RBWO的结构如图1所示,它由导引磁场螺线管、无箔二极管阳极、阴极、准直孔、慢波结构、内导体及同轴引出电子束结构等组成。器件设计采用同轴引出电子束结构和变波纹深度慢波结构来实现器件的小型化和高效运行。

　　1.1　同轴引出电子束结构的作用

　　同轴引出结构有利于提高各纵模、尤其是类π模的Q值,故可在周期数较少的情况下实现高效的单频振荡,进而缩短器件轴向长度。

　　非同轴慢波结构器件中残余电子是打到输出波导壁上被吸收的,产生二次电子是微波脉冲变短的原因之一,且电子束被收集前的径向扩散,不利于后续电子与微波交换能量。而同轴引出电子束结构中,电子束收集与微波提取分离开来,有利于实现长脉冲,且电子束被收集前仍具有良好的调制,有利于后续的电子与微波能量交换,提高束-波转换效率。

　　1.2　变波纹深度同轴慢波结构的作用

　　研究表明[12],同轴慢波结构对最低阶模式没有截止频率,可使器件工作在最低模式,在慢波作用区半径不大的情况下较容易实现L,P等低频段微波的输出。

　　由于同轴波导中薄环形电子束的空间电荷限制流高于普通圆波导的空间电荷限制流[10],同轴器件中的电子束具有相对高的动能,有利于获得高效率。此外,可通过增加慢波结构后段波纹的深度来实现在电子减速区增加电子与微波的耦合阻抗。这样当电子在引导磁场作用下沿轴向传播时,电子束与慢波结构壁之间的径向间隙将有效缩短,束波之间的耦合得以增强,有利于提高效率。

　　我们采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序分析了器件中电子束的传输及束-波相互作用的物理过程,并进行电磁结构优化。图2给出了粒子模拟结构示意图。器件的最大径向半径5.0 cm,采用变波纹深度结构[14-15],共有5个慢波结构,前3个慢波结构深度为0.9 cm,后2个慢波结构深度为1.0 cm,慢波结构区的内导体半径1.0 cm。在模拟过程中,使用无箔二极管自洽发射电子束,电子束的能量为700 keV,电流为10 kA。外加磁场使用线圈结构,在器件的轴线上产生1.0 T的磁场,用于引导电子束的运动。在器件的终端使用吸收介质作为粒子模拟的边界条件。