L波段高功率多注速调管设计与模拟

　　L波段10 MW多注速调管是一种新型的高功率微波源,可望在许多领域得到应用。例如,为研究物质的起源,科学家正在开展全球性的大科学合作,建造工作频率在L波段(1.3 GHz)的国际直线对撞机(ILC, In-ternational Linear Collider),在该工程上将采用700余支峰值功率10 MW、平均功率150 kW的L波段多注速调管。此外,欧洲国家正在建造的与ILC类似的L波段硬X-射线自由电子激光工程和国内计划建设的硬X-射线自由电子激光工程,都将需要大量的L波段10 MW高功率多注速调管。目前,世界上只有美国的CPI、法国的Thales和日本的Toshiba/KEK三家机构在开展此类速调管的研究工作[1-6]。

　　本文对L波段10 MW多注速调管进行了研究,重点对均匀场多透镜聚焦的电子光学系统、同轴腔高频系统、新型二次谐波腔注波互作用系统、高效率微波输出系统进行了设计和计算。

　　1 多注电子枪

　　根据速调管设计参数(见表1)的要求,采用6注电子枪方案,单电子枪设计目标参数如表2所示,其阴极负载在2.1 A.cm²左右,单个电子枪导流系数约为0.56LA#V-3/2。多注电子阴极分布如图1所示,共6个阴极,各阴极具有独立的热子组件,阴极轴线距主轴60.0mm,阴极间夹角为60b,对称地分布在一个圆周上。

　　根据皮尔斯设计方法[7-8],选取电子枪阴极半径为19.0mm。采用平板阳极,阳极孔半径为15.0mm,阴阳极间距为40.0mm,聚焦极头倒角半径为6.5mm。

　　由于多注阴极是由多个完全相同的单个阴极构成,如图2所示。为简便起见,首先针对单个阴极进行2维电子枪无磁场时的设计和模拟,以确定电子枪静电参数。通过2维电子光学计算软件EGUN进行大量计算和调整,获得了一组合乎要求的电子枪结构尺寸,其具体参数如表3所示。由图3~5可见,电子注静电轨迹的层流性较好,阴极最大电流发射密度为2.1 A.cm^-2,中心电流发射密度为1.6 A.cm^-2,两者之比小于1.4,阴极电流发射均匀,各项参数达到了设计要求。

　　2 聚焦系统

　　为了有效地聚焦关于旁轴对称的电子注,我们采用了浸没流多透镜均匀磁场聚焦系统。在电子枪外,设置带有屏蔽板的反线包组件,通过合理设置屏蔽板结构,可以在整个电子枪区域产生轴向均匀磁场。这样做的目的,一方面可以增加电子注刚度,另一方面最大程度地避免了非对称横向场。此外,在过渡区设置了多个屏蔽板,屏蔽板间为聚焦线圈,改变线圈电流可对电子注进入主磁场区的入射状态进行控制,从而调整电子注在主磁场区的传输特性[9]。聚焦系统结构如图6所示。由速调管设计理论计算得到的布里渊磁场值BB约为4.2x10^-2T,工作磁场B0=2.5BB=0.105T。利用SUPERFISH软件对聚焦系统磁场进行了计算,图7为计算的主轴上磁场分布。