全腔输出半透明阴极相对论磁控管的结构改进和性能提升
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基于透明阴极相对论磁控管，2014 年，文献 [16] 提出了半透明阴极相对论磁控管，理论和数值研究表明半透 明阴极相对论磁控管同样具有起振快和模式选择性好等特点，且保持了高的输出效率。研究表明，当不同阴极槽
* 收稿日期：2021-03-20； 修订日期：2021-05-11 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 11875094） 作者简介：杨温渊（1973—），女，博士，研究员，主要从事高功率微波技术和等离子体物理研究。
第 33 卷第 7 期 2021 年 7 月
强 激 光 与 粒 子 束
HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
Vol. 33，No. 7 Jul.，2021
“先进磁控管技术”专题
出版前言
磁控管是利用电子在正交电场和磁场中做漂移运动的原理而将电子束能量转换为微波能量的 一种真空电子器件。由于磁控管具有体积小重量轻、功率转换效率高、频率调谐能力强、便于永 磁包装等优点，因此在雷达与通讯、电子对抗、电子加速器、工农业生产、微波加热、医学等领 域具有广泛的应用前景。
相对论磁控管是普通磁控管向高电压、大电流方向的延伸，是随着脉冲功率技术和相对论电 子学以及等离子体物理的发展而发展起来的。1976 年美国麻省理工学院研制了第一支相对论磁控 管，获得了 900 MW 的输出功率，引起了各国学者的极大兴趣。特别是以美国、俄罗斯为主的发 达国家，为相对论磁控管在功率、效率、频率、重频、脉宽、调谐、锁相等方面的发展做出了重 大贡献。我国的相对论磁控管研究工作始于 20 世纪 90 年代，主要研究单位有中国工程物理研究 院、电子科技大学和国防科技大学等单位，目前已在功率效率、模式控制、频率调谐、永磁包 装、轻小型化、硬管化、长寿命等方面实现了关键技术的突破，部分研究指标达到国际先进水 平，为深度挖掘相对论磁控管性能潜力，全面提升相对论磁控管综合竞争力，加速实现相对论磁 控管成熟化应用奠定了良好基础。
粒子模拟研究。通过半透明阴极结构的改进，即改变阴极角向方位和阴极发射面高度参差设计以及局部参数
优化，使得在较宽的工作参数范围内，器件起振初期可能出现的模式竞争得到抑制，起振时间进一步缩短，同时
输 出 效 率 得 到 较 大 提 高 。 在 注 入 电 子 束 电 压 和 电 流 分 别 约 为 518 kV 和 4.1 kA、 外 加 磁 场 为 0.575 T 时 ， 模 拟 在
目前，我国的磁控管研究已经形成了良好的发展局面，正处于从“并跑”到“领跑”的关键阶 段，为交流和分享我国在该领域的最新进展和研究成果，研讨未来发展的新方向、新思想，推动 相关研究向纵深发展，《强激光与粒子束》编辑部特别组织策划了“先进磁控管技术”专题，希望 对该领域的研究发展有所裨益。经审稿遴选，共有 7 篇论文收录本专题，主要内容包括：全腔输 出半透明阴极相对论磁控管的结构改进和性能提升、端帽结构 L 波段相对论磁控管的效率提升方 案、相对论磁控管谐振模式的模式分解研究、相对论磁控管透明阴极技术作用机理研究、相对论 全腔轴向提取磁控管阳极释气数值模拟研究、圆极化 TE11 输出模式旋向可在线切换的相对论磁控 管模拟研究、L 波段相对论磁控管长时间稳定运行实验研究。上述文章基本涵盖了目前高功率磁 控管研究的主要方向，希望能对相关科研学者提供参考借鉴，也欢迎读者提出宝贵意见，共同促 进本领域的发展进步。
Key words： relativistic magnetron； semi-transparent cathode； all-cavity output； particle-incell simulation
相对论磁控管是一种紧凑型高功率微波器件，输出功率可达 GW 量级，容易实现频率调谐，适合长脉冲和重复 频率运行，因此，在许多领域有着良好的应用前景[1]。为进一步提高相对论磁控管输出性能，如提高输出功率和效 率，增加紧凑型和输出模式的可控性等，研究人员一直在进行相关研究和探索 。 [2-18]
本专题的组织策划和编辑出版得到了各位作者、审稿专家、编委等的大力支持，《强激光与 粒子束》编辑部各位编辑为此专题的顺利出版付出了辛勤劳动，在此一并感谢！
专题主编：张建德 特邀编辑：史迪夫
2021 年 7 月
第 33 卷第 7 期 2021 年 7 月
强 激 光 与 粒 子 束
HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
本文对文献 [17] 提出的高效紧凑型 AS 相对论磁控管做了进一步的研究，通过半透明阴极结构改进（即改变阴 极角向方位和阴极发射面高度参差设计）和局部参数优化，使得器件的性能得到进一步的提升，包括竞争模式的抑 制，起振时间的缩短和输出效率的提高等。
1 AS 相对论磁控管阴极结构改进和模拟验证
图 1（a）和 1（b）分别为 AS 相对论磁控管中波束互作用区的 x-y 和 x-z 截面示意图。图中标注了阳极腔和阳极 叶片、阴极槽和阴极叶片、输入和输出口以及耦合孔位置和扇形输出波导等的具体位置。其中 Rc,in 为阴极槽的半 径，Rc,out 为阴极扇形叶片的半径，即阴极发射面高度。阴极红色部分为电子发射区域，其中发射区轴向长度为 Le， 整个侧面全部为发射区域。
近年来，两种新型相对论磁控管，即透明阴极相对论磁控管和全腔输出相对论磁控管得到研究人员的重视 。 [10-18] 其中透明阴极相对论磁控管具有起振快和模式选择性好等特点。全腔输出相对论磁控管中，全腔提取轴向输出结 构的引入使得器件的径向尺寸显著减小，从而有望使用永磁场聚焦电子束，器件的体积和重量将会进一步减小。
中图分类号： TN128
文献标志码： A doi: 10.11884/HPLPB202133.210098
Structure optimization and performance improvements of relativistic magnetron using all-cavity output and semi-transparent cathode
磁控管于 20 世纪 20 年代由美国 Arthur Hull 等人发明。随着 20 世纪 40 年代 10 kW 量级输出功 率的多腔磁控管问世，磁控管迅速获得了工程应用。用磁控管驱动的雷达在第二次世界大战中发 挥了重要作用，有人评价其影响甚至超过了核武器。围绕磁控管领域，英国、美国、苏联、法 国、荷兰等国家相继发展了多种类型磁控管，处于国际领先水平。我国的磁控管研制工作始于 1956 年，特别是 20 世纪 70 年代以来，我国在大功率磁控管技术开发中通过采取引进吸收和自主 研发的“两条腿走路”的措施取得了长足进步，大大推动了我国微波应用事业的发展。
Yang Wenyuan， Dong Ye， Sun Huifang， Dong Zhiwei
（Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, Beijing 100094, China）
Abstract： Based on our findings published in 2016, we have carried out further studies on the performance improvements of the relativistic magnetron using all-cavity output and semi-transparent cathode. By modifying the semi-transparent cathode, that is, rotating it in azimuthal direction and using uneven height of the electron emission surfaces, and partially optimizing of the cathode parameters, the mode competitions in the initial stage are prohibited effectively in relatively wider range of the operating parameters. At the same time, the starting up time is shortened and the output efficiency is improved obviously. After optimization, the three dimensional particle-in-cell simulations show that with the beam voltage of 518 kV and beam current of 4.1 kA, 1.42 GW output microwave with efficiency about 66% can be obtained at S-band. The corresponding applied magnetic field is 0.575 T. The effects of the beam voltage and applied magnetic field on the output characteristics are also obtained.
Vol. 33，No. 7 Jul.，2021
·先进磁控管技术专题·
全腔输出半透明阴极相对论磁控管的
*
结构改进和性能提升
杨温渊， 董 烨， 孙会芳， 董志伟
（北京应用物理与计算数学研究所，北京 100094）
摘 要： 对全腔输出半透明阴极相对论磁控管做了进一步的改进，并对其进行了物理分析和三维全电磁
S 波 段 获 得 了 效 率 大 于 66%、 功 率 约 1.42 GW 的 微 波 输 出 。 同 时 还 给 出 了 电 子 束 电 压 和 外 加 磁 场 等 参 数 在 一 定
范围内变化时对输出性能的影响规律。研究结果可应用于高效紧凑型相对论磁控管的实验研究。
关键词： 相对论磁控管； 半透明阴极； 全腔输出； 全电磁粒子模拟
073001-1
强 激 光 与 粒 子 束
具有不同的深度和宽度时，与均匀阴极槽相比，器件的输出性能基本不受影响。因此，相比于透明阴极，半透明阴 极相对论磁控管降低了阴极加工难度，且更加皮实，提高了器件实用性，在实际应用中更加稳定。
2016 年 ， 文 献 [17] 进 一 步 提 出 了 采 用 全 腔 耦 合 提 取 和 轴 向 输 出 结 构 的 全 腔 输 出 半 透 明 阴 极 相 对 论 磁 控 管 （AS 相对论磁控管），该器件兼具紧凑、高效和稳定性好的优点。通过参数优化，模拟在 S 波段获得了效率约 50% 的微波输出。由于 AS 相对论磁控管中输出的微波为扇形波导的 TE11 模式，实际应用时，一般需要对微波输出模 式进行转换。2018 年，文献 [18] 对 AS 相对论磁控管的输出模式转换结构进行了理论设计和数值模拟，提出了两 种具体转换结构并利用三维全电磁 PIC 程序通过数值模拟的方法论证了其可行性，输出模式分别为同轴波导的 TEM 模和矩形波导的 TE10 模式。
2
emission area
output
0
cathode
0
5
10
15
20
25
30
35
z/cm
(b) x-z cross section
Fig. 1 Schematic drawings of the AS relativistic magnetron 图 1 AS 相对论磁控管示意图
y/cm x/cm
anode
5
cavity
anode
vaneBiblioteka couplinghole Rc, out
Rc, in
0
output
fan
cathode
waveguide
−5
slot cathode
vane
−5
0
5
x/cm
(a) x-y cross section
6 coupling hole
4
input
* 收稿日期：2021-03-20； 修订日期：2021-05-11 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 11875094） 作者简介：杨温渊（1973—），女，博士，研究员，主要从事高功率微波技术和等离子体物理研究。
第 33 卷第 7 期 2021 年 7 月
强 激 光 与 粒 子 束
HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
Vol. 33，No. 7 Jul.，2021
“先进磁控管技术”专题
出版前言
磁控管是利用电子在正交电场和磁场中做漂移运动的原理而将电子束能量转换为微波能量的 一种真空电子器件。由于磁控管具有体积小重量轻、功率转换效率高、频率调谐能力强、便于永 磁包装等优点，因此在雷达与通讯、电子对抗、电子加速器、工农业生产、微波加热、医学等领 域具有广泛的应用前景。
相对论磁控管是普通磁控管向高电压、大电流方向的延伸，是随着脉冲功率技术和相对论电 子学以及等离子体物理的发展而发展起来的。1976 年美国麻省理工学院研制了第一支相对论磁控 管，获得了 900 MW 的输出功率，引起了各国学者的极大兴趣。特别是以美国、俄罗斯为主的发 达国家，为相对论磁控管在功率、效率、频率、重频、脉宽、调谐、锁相等方面的发展做出了重 大贡献。我国的相对论磁控管研究工作始于 20 世纪 90 年代，主要研究单位有中国工程物理研究 院、电子科技大学和国防科技大学等单位，目前已在功率效率、模式控制、频率调谐、永磁包 装、轻小型化、硬管化、长寿命等方面实现了关键技术的突破，部分研究指标达到国际先进水 平，为深度挖掘相对论磁控管性能潜力，全面提升相对论磁控管综合竞争力，加速实现相对论磁 控管成熟化应用奠定了良好基础。
粒子模拟研究。通过半透明阴极结构的改进，即改变阴极角向方位和阴极发射面高度参差设计以及局部参数
优化，使得在较宽的工作参数范围内，器件起振初期可能出现的模式竞争得到抑制，起振时间进一步缩短，同时
输 出 效 率 得 到 较 大 提 高 。 在 注 入 电 子 束 电 压 和 电 流 分 别 约 为 518 kV 和 4.1 kA、 外 加 磁 场 为 0.575 T 时 ， 模 拟 在
目前，我国的磁控管研究已经形成了良好的发展局面，正处于从“并跑”到“领跑”的关键阶 段，为交流和分享我国在该领域的最新进展和研究成果，研讨未来发展的新方向、新思想，推动 相关研究向纵深发展，《强激光与粒子束》编辑部特别组织策划了“先进磁控管技术”专题，希望 对该领域的研究发展有所裨益。经审稿遴选，共有 7 篇论文收录本专题，主要内容包括：全腔输 出半透明阴极相对论磁控管的结构改进和性能提升、端帽结构 L 波段相对论磁控管的效率提升方 案、相对论磁控管谐振模式的模式分解研究、相对论磁控管透明阴极技术作用机理研究、相对论 全腔轴向提取磁控管阳极释气数值模拟研究、圆极化 TE11 输出模式旋向可在线切换的相对论磁控 管模拟研究、L 波段相对论磁控管长时间稳定运行实验研究。上述文章基本涵盖了目前高功率磁 控管研究的主要方向，希望能对相关科研学者提供参考借鉴，也欢迎读者提出宝贵意见，共同促 进本领域的发展进步。
Key words： relativistic magnetron； semi-transparent cathode； all-cavity output； particle-incell simulation
相对论磁控管是一种紧凑型高功率微波器件，输出功率可达 GW 量级，容易实现频率调谐，适合长脉冲和重复 频率运行，因此，在许多领域有着良好的应用前景[1]。为进一步提高相对论磁控管输出性能，如提高输出功率和效 率，增加紧凑型和输出模式的可控性等，研究人员一直在进行相关研究和探索 。 [2-18]
本专题的组织策划和编辑出版得到了各位作者、审稿专家、编委等的大力支持，《强激光与 粒子束》编辑部各位编辑为此专题的顺利出版付出了辛勤劳动，在此一并感谢！
专题主编：张建德 特邀编辑：史迪夫
2021 年 7 月
第 33 卷第 7 期 2021 年 7 月
强 激 光 与 粒 子 束
HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
本文对文献 [17] 提出的高效紧凑型 AS 相对论磁控管做了进一步的研究，通过半透明阴极结构改进（即改变阴 极角向方位和阴极发射面高度参差设计）和局部参数优化，使得器件的性能得到进一步的提升，包括竞争模式的抑 制，起振时间的缩短和输出效率的提高等。
1 AS 相对论磁控管阴极结构改进和模拟验证
图 1（a）和 1（b）分别为 AS 相对论磁控管中波束互作用区的 x-y 和 x-z 截面示意图。图中标注了阳极腔和阳极 叶片、阴极槽和阴极叶片、输入和输出口以及耦合孔位置和扇形输出波导等的具体位置。其中 Rc,in 为阴极槽的半 径，Rc,out 为阴极扇形叶片的半径，即阴极发射面高度。阴极红色部分为电子发射区域，其中发射区轴向长度为 Le， 整个侧面全部为发射区域。
近年来，两种新型相对论磁控管，即透明阴极相对论磁控管和全腔输出相对论磁控管得到研究人员的重视 。 [10-18] 其中透明阴极相对论磁控管具有起振快和模式选择性好等特点。全腔输出相对论磁控管中，全腔提取轴向输出结 构的引入使得器件的径向尺寸显著减小，从而有望使用永磁场聚焦电子束，器件的体积和重量将会进一步减小。
中图分类号： TN128
文献标志码： A doi: 10.11884/HPLPB202133.210098
Structure optimization and performance improvements of relativistic magnetron using all-cavity output and semi-transparent cathode
磁控管于 20 世纪 20 年代由美国 Arthur Hull 等人发明。随着 20 世纪 40 年代 10 kW 量级输出功 率的多腔磁控管问世，磁控管迅速获得了工程应用。用磁控管驱动的雷达在第二次世界大战中发 挥了重要作用，有人评价其影响甚至超过了核武器。围绕磁控管领域，英国、美国、苏联、法 国、荷兰等国家相继发展了多种类型磁控管，处于国际领先水平。我国的磁控管研制工作始于 1956 年，特别是 20 世纪 70 年代以来，我国在大功率磁控管技术开发中通过采取引进吸收和自主 研发的“两条腿走路”的措施取得了长足进步，大大推动了我国微波应用事业的发展。
Yang Wenyuan， Dong Ye， Sun Huifang， Dong Zhiwei
（Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, Beijing 100094, China）
Abstract： Based on our findings published in 2016, we have carried out further studies on the performance improvements of the relativistic magnetron using all-cavity output and semi-transparent cathode. By modifying the semi-transparent cathode, that is, rotating it in azimuthal direction and using uneven height of the electron emission surfaces, and partially optimizing of the cathode parameters, the mode competitions in the initial stage are prohibited effectively in relatively wider range of the operating parameters. At the same time, the starting up time is shortened and the output efficiency is improved obviously. After optimization, the three dimensional particle-in-cell simulations show that with the beam voltage of 518 kV and beam current of 4.1 kA, 1.42 GW output microwave with efficiency about 66% can be obtained at S-band. The corresponding applied magnetic field is 0.575 T. The effects of the beam voltage and applied magnetic field on the output characteristics are also obtained.
Vol. 33，No. 7 Jul.，2021
·先进磁控管技术专题·
全腔输出半透明阴极相对论磁控管的
*
结构改进和性能提升
杨温渊， 董 烨， 孙会芳， 董志伟
（北京应用物理与计算数学研究所，北京 100094）
摘 要： 对全腔输出半透明阴极相对论磁控管做了进一步的改进，并对其进行了物理分析和三维全电磁
S 波 段 获 得 了 效 率 大 于 66%、 功 率 约 1.42 GW 的 微 波 输 出 。 同 时 还 给 出 了 电 子 束 电 压 和 外 加 磁 场 等 参 数 在 一 定
范围内变化时对输出性能的影响规律。研究结果可应用于高效紧凑型相对论磁控管的实验研究。
关键词： 相对论磁控管； 半透明阴极； 全腔输出； 全电磁粒子模拟
073001-1
强 激 光 与 粒 子 束
具有不同的深度和宽度时，与均匀阴极槽相比，器件的输出性能基本不受影响。因此，相比于透明阴极，半透明阴 极相对论磁控管降低了阴极加工难度，且更加皮实，提高了器件实用性，在实际应用中更加稳定。
2016 年 ， 文 献 [17] 进 一 步 提 出 了 采 用 全 腔 耦 合 提 取 和 轴 向 输 出 结 构 的 全 腔 输 出 半 透 明 阴 极 相 对 论 磁 控 管 （AS 相对论磁控管），该器件兼具紧凑、高效和稳定性好的优点。通过参数优化，模拟在 S 波段获得了效率约 50% 的微波输出。由于 AS 相对论磁控管中输出的微波为扇形波导的 TE11 模式，实际应用时，一般需要对微波输出模 式进行转换。2018 年，文献 [18] 对 AS 相对论磁控管的输出模式转换结构进行了理论设计和数值模拟，提出了两 种具体转换结构并利用三维全电磁 PIC 程序通过数值模拟的方法论证了其可行性，输出模式分别为同轴波导的 TEM 模和矩形波导的 TE10 模式。
2
emission area
output
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z/cm
(b) x-z cross section
Fig. 1 Schematic drawings of the AS relativistic magnetron 图 1 AS 相对论磁控管示意图
y/cm x/cm
anode
5
cavity
anode
vaneBiblioteka couplinghole Rc, out
Rc, in
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(a) x-y cross section
6 coupling hole
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