CN113838727B - 一种基于单脊CeSRR单元的小型化大功率速调管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于单脊CeSRR单元的小型化速调管，属于微波真空电子器件技术领域。本发明通过加载单脊CeSRR单元保证了速调管工作在特定频段，并起到减小尺寸和增强轴向电场强度的作用；单脊CeSRR单元的亚波长特性明显，应用于速调管中可以大大减小其尺寸；单脊CeSRR单元具有强谐振特性，使得速调管在高效率、高增益方面也有着明显的优势；同时，本发明中的速调管采用单间隙谐振腔，不易出现模式竞争，可以在有兆瓦量级功率输出需求的医用加速器和大科学装置中实现稳定工作，避免了扩展互作用谐振腔在大电流的条件下由于多间隙结构而容易激励起多个非工作模式，从而不适用于大功率输出的问题；除此之外，本发明速调管还对输出腔进行调整。

Description

一种基于单脊CeSRR单元的小型化大功率速调管
技术领域
本发明属于微波真空电子器件技术领域，涉及速调管，具体涉及一种基于单脊CeSRR单元的小型化大功率速调管。
背景技术
微波真空电子器件是利用电子注与微波相互作用产生和放大微波的电子器件，具有大功率、高效率、长寿命等特点，在通讯、雷达、制导、电子对抗、微波加热、医疗、大科学装置等领域具有广泛的应用。作为一种功率容量最高的微波真空电子器件，大功率速调管广泛应用于医用加速器以及大科学装置中，例如P波段(0.23-1GHz)大功率速调管在性能指标和运行可靠性等方面，可以满足我国正在发展的医疗领域中质子治疗仪的核心部件质子直线加速器，以及大科学装置领域中散裂中子源的核心部件质子直线加速器的要求。而常规的P波段速调管体积和重量大，如2018年报道的CPI公司研制的VKP-8292A型号的频率704MHz、峰值输出功率1.5MW的速调管，整体尺寸可达3.9m×1.5m×1.0m，重量约为2.5t(G.Aymar,E.Eisen,B.Stockwell,et al.Development and production of a 704MHz,1.5MW peak p ower klystron,2018International Vacuum Electronics Conference,Monterey,CA,USA,2018,1–2)。因此，目前常规大功率速调管在医用加速器和大科学装置应用方面面临着占地空间大、搬运困难、加工周期长、制造成本高等问题，迫切需要向小型化的方向发展。
在微波真空电子器件中加载超构材料单元，是发展其小型化的方法之一。超构材料是指一类人工设计的亚波长结构，具有天然材料所不具备的超常物理性质，且这些特性主要取决于材料的单元结构形状、几何尺寸和不同单元结构的排列方式，而非材料本身的性质。作为一种全金属超构材料单元，互补电开口环谐振器(Complementary electricSplit Ring Resonator,CeSRR)单元由于具有亚波长特性，已被应用于返波振荡器、扩展互作用振荡器、扩展互作用速调管等微波真空电子器件中，并成功实现了小型化，为微波真空电子器件的发展提供了新的研究方向。例如，在专利CN109256309B中，提出了一种S波段小型化超构材料扩展互作用振荡器。基于类似上述专利中加载单脊CeSRR单元的扩展互作用谐振腔构成的扩展互作用速调管，虽然能够实现器件的小型化，可以进行千瓦量级以下的较低功率的输出，但由于扩展互作用谐振腔在大电流的条件下，其多间隙结构容易激励起多个非工作模式，因此不适用于兆瓦量级的大功率稳定输出，无法很好地应用于未来的医用加速器和大科学装置等设备中。
综上所述，如何通过加载超构材料单元实现速调管的小型化和大功率稳定工作，进而解决我国在医用加速器和大科学装置领域中对于大功率速调管的小型化需求，成为了急需解决的卡脖子难题。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于单脊CeSRR单元的小型化大功率速调管。本发明速调管在常规速调管中引入单脊CeSRR单元，同时对输出腔进行优化设计，使得该器件能够在大功率稳定输出下同时实现小型化。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于单脊CeSRR单元的小型化大功率速调管，包括依次连接的输入腔、第一段漂移管、第一中间腔、第二段漂移管、第二中间腔、第三段漂移管和输出腔，所述小型化大功率速调管还包括同轴输入结构和同轴输出结构，所述同轴输入结构设置于输入腔内，同轴输出结构设置于输出腔内；
所述输入腔、第一中间腔和第二中间腔均包括一个圆柱形谐振腔和对称固定设置于圆柱形谐振腔内两端的一组内部单元，所述内部单元包括一个单脊CeSRR单元和一个内部漂移管，所述单脊CeSRR单元包括一大一小两个同心金属环，两个金属环通过一个金属脊连接，小金属环的中空部分为电子注通道，内部漂移管贯穿、对称设置于单脊CeSRR单元处，且内部漂移管的一端与所在腔体的端面位于同一竖直面；输出腔包括一个圆柱形谐振腔、内部单元和一个内部漂移管，该内部漂移管设置于靠近电子注输出端一侧，且与内部单元中的内部漂移管对称设置于圆柱形谐振腔两侧；输入腔、第一中间腔和第二中间腔内的单脊CeSRR单元的金属脊依次呈旋转180°交替排列，同一个腔体中单脊CeSRR单元的尺寸相同，不同腔体中单脊CeSRR单元的尺寸不同；
所述内部漂移管口进行了倒角处理，用于防止击穿。
输入腔一端为电子注输入端，与阴极相连；输出腔另一端为电子注输出端，与收集极相连。
进一步地，所述第一段漂移管、第二段漂移管、第三段漂移管、以及内部漂移管，均为内直径与电子注通道直径相同的圆波导结构。
进一步地，所述电子注输入端包括一段漂移管和横截面形状为圆形的阴极。
进一步地，所述同轴输入结构和同轴输出结构的耦合方式均为磁耦合，同轴输入结构内导体为凹槽型，同轴输出结构内导体为L型。
进一步地，利用粒子模拟软件优化第一段漂移管、第二段漂移管和第三段漂移管的长度，从而改善电子群聚，得到较高的电子效率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明通过在常规速调管中引入单脊CeSRR单元，保证了速调管工作在特定频段，并起到减小尺寸和增强轴向电场强度的作用，应用于速调管中可以实现小型化。例如，本发明速调管与同类型800kW的常规速调管(O.Xiao,Z.Zhou,Zaid-un-Nisa,et al.DesignStudy of High Efficiency CW Klystron for CEPC,2019 International VacuumElectronics Conference,Busan,South Korea,2019,1–2)在横向直径上分别约为0.32λ和0.54λ，在纵向长度上分别约为2.94λ和4.77λ(λ为自由空间中的波长)，相比之下本发明速调管的小型化程度明显。同时单脊CeSRR单元具有强谐振特性，使得速调管在高效率、高增益方面也有着明显的优势。除此之外，本发明中的速调管采用单间隙谐振腔，不易出现模式竞争，可以在有兆瓦量级输出功率需求的医用加速器和大科学装置中实现稳定工作，避免了扩展互作用谐振腔由于多间隙结构，在大电流的条件下容易激励起多个非工作模式，从而不适用于大功率输出的问题。因此本发明解决了背景技术中关于小型化扩展互作用速调管不适用于大功率输出的问题，可以同时实现小型化和大功率稳定工作。
2.本发明速调管的输出腔中只设置一个单脊CeSRR单元，靠近电子注输出端设置一个内部漂移管代替常规的内部单元，可以为同轴输出结构中在输出腔内部的内导体留出更多的空间，使得输出腔的外部品质因子控制在合理的范围内，从而实现较高的电子效率。
3.本发明基于单脊CeSRR单元的速调管，当电子注电压和电子注电流分别为100kV和40A，磁感应强度为0.072T，输入信号功率为50W时，得到在工作频率为714MHz下的输出功率为2.14MW，增益为46.31dB，电子效率为53.5％。在电子注输出端一侧添加多级降压收集极后，整管效率可提升至60～70％。
附图说明
图1为本发明基于单脊CeSRR单元的速调管高频结构与同轴输入输出结构示意图；
其中，(a)为速调管的整体高频结构与同轴输入输出结构示意图，(b)为速调管的输入腔与同轴输入结构沿xoz方向示意图。
图2为本发明内部单元结构示意图；
其中，(a)为内部单元的xoy方向示意图，(b)为内部单元的xoz方向示意图。
图3为本发明基于单脊CeSRR单元的速调管输出信号的频谱图和功率图；
其中，(a)为输出信号的频谱图，(b)为输出信号的功率图。
图4为本发明基于单脊CeSRR单元的速调管在不同输入功率值下的增益和电子效率图。
图5为本发明基于单脊CeSRR单元的速调管输出信号稳态后的功率值随输入信号频率的变化图。
图中：单脊CeSRR单元1包括：1-1.第一单脊CeSRR单元、1-2.第二单脊CeSRR单元、1-3.第三单脊CeSRR单元、1-4.第四单脊CeSRR单元、1-5.第五单脊CeSRR单元、1-6.第六单脊CeSRR单元、1-7.第七单脊CeSRR单元、内部漂移管2包括：2-1.第一段内部漂移管、2-2.第二段内部漂移管、2-3.第三段内部漂移管、2-4.第四段内部漂移管、2-5.第五段内部漂移管、2-6.第六段内部漂移管、2-7.第七段内部漂移管、2-8.第八段内部漂移管、3.电子注通道、4.倒角部分、5.输入腔、6.第一中间腔、7.第二中间腔、8.输出腔、9.阴极、10.电子注输出端、11.第一段漂移管、12.第二段漂移管、13.第三段漂移管、14.同轴输入结构内导体、15.同轴输出结构内导体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种基于单脊CeSRR单元的小型化大功率速调管，其结构示意图如图1所示，包括依次连接的输入腔5、第一段漂移管11、第一中间腔6、第二段漂移管12、第二中间腔7、第三段漂移管13和输出腔8，所述小型化大功率速调管还包括基于同轴输入结构内导体14的同轴输入结构和基于同轴输出结构内导体15的同轴输出结构，所述同轴输入结构设置于输入腔5内，同轴输出结构设置于输出腔8内；
所述输入腔5、第一中间腔6和第二中间腔7均包括一个圆柱形谐振腔和对称固定设置于圆柱形谐振腔内两端的一组内部单元，输出腔8包括一个圆柱形谐振腔、一个内部单元和一个内部漂移管2；所述内部单元的结构示意图如图2所示，包括一个单脊CeSRR单元1和一个内部漂移管2；具体地，输入腔5中对称固定设置于圆柱形谐振腔内两端的第一单脊CeSRR单元1-1和第一段内部漂移管2-1、第二单脊CeSRR单元1-2和第二段内部漂移管2-2；第一中间腔6中对称固定设置于圆柱形谐振腔内两端的第三单脊CeSRR单元1-3和第三段内部漂移管2-3、第四单脊CeSRR单元1-4和第四段内部漂移管2-4；第二中间腔7中对称固定设置于圆柱形谐振腔内两端的第五单脊CeSRR单元1-5和第五段内部漂移管2-5、第六单脊CeSRR单元1-6和第六段内部漂移管2-6；输出腔8中固定设置于圆柱形谐振腔内一端的第七单脊CeSRR单元1-7和第七段内部漂移管2-7、以及第八段内部漂移管2-8；所述单脊CeSRR单元1结构如图2(a)所示，包括第一金属环、第二金属环和两个金属环之间的一个金属脊，第一金属环的中空部分为电子注通道3，内部漂移管2贯穿、对称的设置于单脊CeSRR单元1处，内部漂移管2的管口进行倒角处理4以防止击穿问题的出现，内部漂移管2的一端与所在腔体的端面位于同一竖直面；输入腔5内的第一单脊CeSRR单元1-1和第二单脊CeSRR单元1-2、第一中间腔6内的第三单脊CeSRR单元1-3和第四单脊CeSRR单元1-4、以及第二中间腔7内的第五单脊CeSRR单元1-5和第六单脊CeSRR单元1-6的金属脊依次呈旋转180°交替排列；其中，第二金属环的外直径为rout2、内直径为rin2，第一金属环的外直径为rout1、内直径为rin1，脊的宽度为h，同一个腔体中单脊CeSRR单元1的尺寸相同，不同腔体中单脊CeSRR单元1的尺寸不同。
输入腔5一端为电子注输入端，与阴极9相连，输出腔8另一端为电子注输出端10，与收集极相连；其中输入腔5中第一单脊CeSRR单元1-1和第二单脊CeSRR单元1-2之间的长度为L1，内导体距离中心轴线的高度为L2，内导体外直径为L3，外导体内直径为L4。
本发明通过加载单脊CeSRR单元1保证了速调管工作在特定频段，并起到减小尺寸和增强轴向电场强度的作用；在电子注通道3外侧设置内部漂移管2以减小高频间隙的长度；采用的同轴输入结构和同轴输出结构，可以避免由于低频段导致的矩形波导输入输出结构的大体积缺陷，在横向上进一步实现器件的小型化。
输出腔8中只设置一个单脊CeSRR单元1，靠近电子注输出端10设置一端内部漂移管2代替常规的内部单元，同时，设置同轴输入结构内导体14为凹槽型，同轴输出结构内导体15为L型。相比于凹槽型同轴结构内导体，L型同轴结构内导体可以通过更多的磁通量，使得输出腔的外部品质因子控制在合理的范围内，从而实现较高的电子效率；同时其内导体外直径和外导体内直径较大，所构成的同轴输出结构具有较大的功率容量。
实施例1
本实施例中，图1(a)为基于单脊CeSRR单元1的速调管高频结构的整体结构示意图，其中电子注通道3直径为31.6mm，腔体壁厚为10mm，阴极9横截面直径为20.6mm。
图1(b)为输入腔5的结构示意图，其内直径为128.8mm，长度为208.8mm，内部的第一单脊CeSRR单元1-1和第二单脊CeSRR单元1-2之间的周期长度L1为125mm；第一段内部漂移管2-1和第二段内部漂移管2-2的长度均为83.8mm，厚度均为7.6mm；同轴输入结构内导体14的外直径L3为3.04mm，外导体内直径L4为7mm，内导体距离中心轴线高度L2为36.6mm；其中，高度L2影响输入腔5的谐振频率和外部品质因子；而输入腔5的谐振频率与高频结构的谐振频率和电子效率相关联，外部品质因子与高频结构的电子效率相关联。
第一中间腔6的内直径为129.2mm，长度为208.8mm，其内部第三单脊CeSRR单元1-3和第四单脊CeSRR单元1-4的周期长度为125mm；第三段内部漂移管2-3和第四段内部漂移管2-4长度均为83.8mm，厚度均为7.6mm；
第二中间腔7的内直径为123.4mm，长度为208.8mm，其内部第五单脊CeSRR单元1-5和第六单脊CeSRR单元1-6之间的长度为125mm；第五段内部漂移管2-5和第六段内部漂移管2-6的长度均为83.8mm，厚度均为7.6mm；
输出腔8的内直径为134.4mm，长度为203.8mm；第七段内部漂移管2-7和第八段内部漂移管2-8的长度均为83.8mm，厚度均为7.6mm；同轴输出结构内导体15外直径11.2mm，外导体内直径为36mm，内导体距离中心轴线高度为36.9mm。
第一段漂移管11长度为21.2mm，第二段漂移管12长度为271.2mm，第三段漂移管13长度为53.7mm。漂移管的内直径为31.6mm，厚度为58.8mm。从输入腔5一端的电子注输入端到输出腔8一端的电子注输出端10的纵向长度为1236.3mm。
图2为单脊CeSRR单元1的结构示意图，输入腔5中第一单脊CeSRR单元1-1和第二单脊CeSRR单元1-2的尺寸为：h＝4.8mm，rout1＝40.4mm，rin1＝15.8mm，rout2＝64.4mm，rin2＝52.4mm；第一中间腔6中第三单脊CeSRR单元1-3和第四单脊CeSRR单元1-4的尺寸为：h＝6.1mm，rout1＝40.6mm，rin1＝15.8mm，rout2＝64.6mm，rin2＝52.6mm；第二中间腔7中第五单脊CeSRR单元1-5和第六单脊CeSRR单元1-6的尺寸为：h＝6.1mm，rout1＝38.7mm，rin1＝15.8mm，rout2＝61.7mm，rin2＝50.2mm；输出腔8中第七单脊CeSRR单元1-7的尺寸为：h＝6.1mm，rout1＝42.2mm，rin1＝15.8mm，rout2＝67.2mm，rin2＝54.7mm；各腔中单脊CeSRR单元1的厚度均为10mm。
在上述结构参数下，本实施方式通过仿真模拟，输出信号的频谱图和功率图如图3所示，不同输入功率值下的增益和电子效率图如图4所示，输出信号稳态后的功率值随输入信号频率的变化图如图5所示。
从图3(a)中可以看出，本发明基于单脊CeSRR单元的速调管，当电子注电压为100kV，电子注电流为40A，用于聚焦电子注的磁感应强度为0.072T，输入功率为50W时，得到的工作频率为0.714GHz。从图3(b)中可以看出，输出信号在250ns后逐渐趋于稳定，输出功率为2.14MW。当输入信号频率固定在0.714GHz时，不同的输入功率值对应的电子效率和增益如图4所示，考虑到输入功率的提高会导致电子回流的产生，选择输入功率为50W，从图中可知此时的电子效率为53.5％，对应的增益为46.31dB。图5为当电子注电压和电子注电流分别为100kV和40A，用于聚焦电子注的磁感应强度为0.072T，输入信号功率为50W时，得到的不同的输入信号频率下对应的放大信号的输出功率，其3dB带宽为12.5MHz。
在速调管中，通常输入腔和输出腔的谐振频率在高频结构的谐振频率上(如在本发明中即为714MHz)，而其余中间腔的谐振频率，依次向频率高端移动(如在本发明中，f输入腔＝f输出腔＜f中间腔1＜f中间腔2)，这样有利于电子注的群聚，从而提高电子效率。而单脊CeSRR单元的结构参数很大程度上决定了单腔的谐振频率，因此每个腔中加载的单脊CeSRR单元的结构参数也不同。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种基于单脊CeSRR单元的小型化大功率速调管，其特征在于，包括依次连接的输入腔、第一段漂移管、第一中间腔、第二段漂移管、第二中间腔、第三段漂移管和输出腔，所述小型化大功率速调管还包括同轴输入结构和同轴输出结构，所述同轴输入结构设置于输入腔内，同轴输出结构设置于输出腔内；
所述输入腔、第一中间腔和第二中间腔均包括一个圆柱形谐振腔和对称固定设置于圆柱形谐振腔内两端的一组内部单元，所述内部单元包括一个单脊CeSRR单元和一个内部漂移管，所述单脊CeSRR单元包括一大一小两个同心金属环，两个金属环通过一个金属脊连接，小金属环的中空部分为电子注通道，内部漂移管贯穿、对称设置于单脊CeSRR单元处，且内部漂移管的一端与所在腔体的端面位于同一竖直面；输出腔包括一个圆柱形谐振腔、一个内部单元和一个内部漂移管，该内部漂移管设置于靠近电子注输出端一侧，且与内部单元中的内部漂移管对称设置于圆柱形谐振腔两侧；输入腔、第一中间腔和第二中间腔内的单脊CeS RR单元的金属脊依次呈旋转180°交替排列，同一个腔体中单脊CeSRR单元的尺寸相同，不同腔体中单脊CeSRR单元的尺寸不同；
输入腔一端为电子注输入端，与阴极相连；输出腔一端为电子注输出端，与收集极相连；
所述同轴输入结构和同轴输出结构的耦合方式均为磁耦合，同轴输入结构内导体为凹槽型，同轴输出结构内导体为L型。
2.如权利要求1所述的小型化大功率速调管，其特征在于，所述第一段漂移管、第二段漂移管、第三段漂移管、以及内部漂移管，均为内直径与电子注通道直径相同的圆波导结构。
3.如权利要求1所述的小型化大功率速调管，其特征在于，所述电子注输入端包括一段漂移管和横截面形状为圆形的阴极。
4.如权利要求1所述的小型化大功率速调管，其特征在于，利用粒子模拟软件优化第一段漂移管、第二段漂移管和第三段漂移管的长度，从而改善电子群聚，得到较高的电子效率。
5.如权利要求1所述的小型化大功率速调管，其特征在于，所述内部漂移管口进行了倒角处理，用于防止击穿。
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