大功率微波真空电子器件的应用

／ｋｇ
／ｍ
１９０ １９０
１．９０ １．９０
３８０ １．９０
３８０ １．９０
１４０ １４０ ３００
１．４０ １．４０ １．４０
７０ １．６５
７０／５００ １．６５ ８０ １．５０ ７０ １．６５
１ ６００１） １．８０ １．６５
１）Ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｓｏｌｅｎｏｉｄ
第８期
（中国科学院 电子学研究所，中国科学院 高功率微波源和技术重点实验室，北京１００１９０）
摘 要： 大功率微波真空电子器件具有工作频率 高、峰 值 和 平 均 功 率 大 等 特 点 ，已 广 泛 应 用 于 微 波 电 子 系统，在科学研究和国民经济方面的应用越来越广泛。在科学研究方面，它主要应用在高能粒子加速器和 可 控 热核聚变加热装置等大型科学装置上，主要包括高峰值功率速调管、连续波和长脉冲高功率速调管和高功率 回 旋管等器件。在国民经济方面，则主要应用于天气雷达、导航雷达、医用和工业辐照加速器、电视广播和通 信 等 微波电子系统，主要包括大功率脉 冲 和 连 续 波 速 调 管、分 布 作 用 速 调 管、行 波 管、磁 控 管 和 感 应 输 出 管 等。 为 此 ，介 绍 了 这 些 微 波 真 空 电 子 器 件 的 技 术 现 状 、共 性 技 术 问 题 和 发 展 趋 势 。 关键词： 速调管； 回旋管； 粒子加速器； 正负 电 子 对 撞 机； 可 控 热 核 聚 变 装 置； 天 气 雷 达； 深 空通信 中 图 分 类 号 ： ＴＮ９９ 文 献 标 志 码 ： Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１１２３０８．１９８９
微波真空电子器件是利用电子注与微波电磁场相互作用产生和放大微波的电子器件 ，具有高工作频率、高 峰 值 功 率 和 高 平 均 功 率 等 特 点 ，已 经 广 泛 应 用 于 雷 达 、通 信 、电 子 对 抗 、电 视 广 播 、粒 子 加 速 器 、可 控 热 核 聚 变 装 置 、微 波 遥 感 和 微 波 能 应 用 等 微 波 电 子 系 统 。大 功 率 微 波 真 空 电 子 器 件 ，特 别 是 大 功 率 速 调 管 和 回 旋 管 的 发 展 与大科学装置的 研 究 和 发 展 关 系 密 切。 速 调 管 的 发 明、发 展 和 应 用 首 先 是 在 美 国 斯 坦 福 大 学 加 速 器 中 心 （ＳＬＡＣ）实现的，用于基本粒子研究的各种加速器的建立则与大功率速调管的发展相辅相成 ，而回旋管的发展 与可控热核聚变等离子体加热研究直接相关。大功率微波真空电子器件的发展对国民经济和人们的日常生活 也 有 很 大 影 响 。 例 如 ，应 用 磁 控 管 的 微 波 炉 已 成 为 普 通 家 庭 的 必 备 用 具 ，应 用 速 调 管 和 磁 控 管 的 治 癌 用 医 用 加 速器已成为各大医院的重要医疗设备，应用速调管和磁控管的工业辐照加速器已广泛应 用 于 材 料 和 半 导 体 器 件改性、食品保鲜和货物的安全检测等领域。本文将着重介绍大功率微波真空电子器 件 在 大 型 科 学 装 置 和 国 民 经 济 中 的 应 用 ，讨 论 不 同 应 用 场 合 对 器 件 性 能 的 不 同 需 求 ，器 件 存 在 的 主 要 共 性 技 术 问 题 及 发 展 趋 势 。
第 ２３ 卷 第 ８ 期 ２０１１ 年 ８ 月
强激光与粒子束
ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭＳ
Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．８ Ａｕｇ．，２０１１
文 章 编 号 ： １００１－４３２２（２０１１）０８－１９８９－０７
大功率微波真空电子器件的应用＊
＊综 述＊
丁 耀 根 ， 刘 濮 鲲 ， 张 兆 传 ， 王 勇 ， 沈 斌
Ｆｉｇ．１ Ｔｙｐｉｃａｌ ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ ｋｌｙｓｔｒｏｎｓ 图 １ 典 型 的 超 高 峰 值 功 率 速 调 管
Ｆｉｇ．２ Ｔｙｐｉｃａｌ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｍｕｌｔｉ－ｂｅａｍ ｋｌｙｓｔｒｏｎｓ 图 ２ 典 型 的 高 功 率 多 注 速 调 管
表 １ 高 能 电 子 直 线 加 速 器 用 超 高 峰 值 功 率 速 调 管
丁耀根等：大功率微波真空电子器件的应用
１９９１
２０世纪９０年代和２１世纪初，美国 ＳＬＡＣ 提出了基于常 温 加 速 腔 工 作 的 下 一 代 直 线 对 撞 机（ＮＬＣ）计 划。
为了达到５００ＧｅＶ 的能量，需要采用４ ０００个脉冲功率为７５ ＭＷ、脉冲宽度为１．６μｓ的 Ｘ 波段速调管，ＳＬＡＣ 已研制出７５ ＭＷ 的 ＰＰＭ 聚焦 Ｘ 波段速调管，平均功率为１４．４ｋＷ，效率大于５０％ 。 ［４］ 日本 高 能 物 理 研 究 所
２５０ ５５２ ４７４ ２８０
１．５ １．０ ４．０ ２４．０
Ｅ３７２９
Ｔｏｓｈｉｂａ ２．８５６ ３４
２１．０
５２
３４
３０４
３１６ １２．５
Ｅ３７３０Ａ
Ｔｏｓｈｉｂａ
２．８５６
７０ ５０
１４ １０
５５ ５１
４２ ４５
３７８ ３１２
４５１ ３６２
４．０ ４．０
Ｅ３７３０２ Ｔｏｓｈｉｂａ ２．９９８ ５０
３５２ ＭＨｚ，连续波输出功率１．１ ＭＷ，效率达６８％；Ｐ 波段速调管 ＴＨ２１０５，工作频率 ５０８ ＭＨｚ，连续波输出功
率１．０ＭＷ，效率６０％。日本东芝公司研制的 Ｅ３７１８速调管，工作频率１ ２５０ＭＨｚ，连续波输出功率１．２ＭＷ， 效 率 ６３％ 。 图 ３ 为 ２ 个 典 型 的 连 续 波 速 调 管 。
＊ 收稿日期：２０１０－１２－０１； 修订日期：２０１１－０３－２６ 作 者 简 介 ：丁 耀 根 （１９４２— ），男 ，研 究 员 ，博 士 生 导 师 ，从 事 高 功 率 微 波 器 件 研 究 和 开 发 ；ｄｉｎｇｙｇ＠ｍａｉｌ．ｉｅ．ａｃ．ｃｎ。
１９９０
强激光与粒子束
第 ２３ 卷
波段多注速调管推动，脉冲功率１０ ＭＷ，平均功率１５０ｋＷ，脉冲宽度 １．５ ｍｓ。 近年来，法国 Ｔｈａｌｅｓ电子器件 公司，日本东芝公司和美国 ＣＰＩ－ＭＰＰ 公司 已 先 后 研 制 成 功 满 足 上 述 性 能 要 求 的 Ｌ 波 段 多 注 速 调 管 。 ［３］ 中 国 科学院电子学研究所和高能物理研究所正在合作开展该类型多注速调管的研究。图２为典型的 Ｌ波段高功 率多注速调管实物图。
ｍｏｄｅｌ ５０４５
ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ ＳＬＡＣ
Ｔａｂｌｅ １ Ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ ｋｌｙｓｔｒｏｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｌｉｎｅａｒ ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ
ｆ／
＾Ｐｏｕｔ／
Ｐ珚ｏｕｔ／
Ｇ／
η／
Ｖ０／
Ｉ０／
τ／
ＧＨｚ ＭＷ
ｋＷ
ｄＢ
％
ｋＶ
Ｅ３７６８
Ｔｏｓｈｉｂａ １１．４２４ ７４ １６．６ ６０
５５ ５００ ２７０ １．５
Ｅ３７６１ Ｅ３７１２
Ｔｏｓｈｉｂａ Ｔｏｓｈｉｂａ
１１．４２４ ２．８５６
５７ １００ ８０ ２４
４．３ ５．０ １６ ５．７６
６０ ５６ ５３ ５０
４９ ４６ ４４ ３１
４７０ ４２２ ３９１ ２８４
１０
５４
４３ ３２５ ４００ ４．０
Ｅ３７４６Ａ Ｔｏｓｈｉｂａ ５．７１２ ５０ ６．２５ ５２
４７ ３５４ ３１５ ２．５
ＴＨ２１５３
ＴＥＤ ２．８５６ １５０
３０
２４
４３ ５２
５７６ ４３
６００ ２６１
３３５
５．０
ＴＨ２１２８
ＴＥＤ ２．８５６ ３５
１７．５
源自文库
３７
１７
５３．５
４５
ＴＥＤ ２．９９８ ５
４５．１
２０
５５
４３
２７９ ３０７
２９５ ３４０
４．５ ４．５
２０
６０
５１
４２
２３９
１９９ １０．０
ＴＶ２２００
ＴＥＤ １．３００
２０
６０
５１
４２
２７５
２６０
７．０
ＫＳ４１１９ ＩＥＣＡＳ ２．８５６ ５０
１０
５０
４６ ３２０
４．０
ｗｅｉｇｈｔ ｌｅｎｇｔｈ
Ａ
μｓ
２．８５６ ６５
４０
４６ ３５０ ４１４ ３．５
ＳＬＡＣ ２．８５６ １５０ ２２．５
４０ ５３５ ７００ ３．０
ＳＬＡＣ ２．８５６ ２００
５８
４７ ６１０ ７８０ １．０
ＸＰ３
ＳＬＡＣ １１．４２４ ７５ １４～２９
５５ ４９０ ２５７ ３．２
１ 科 学 研 究 用 的 大 功 率 微 波 真 空 电 子 器 件
大功率微波真空电子器件在大型科学装置上主要应用于高能粒子加速器和可控热 核 聚 变 加 热 装 置 ，这 类 装 置 对 器 件 的 主 要 要 求 是 高 功 率 、高 效 率 、高 可 靠 和 长 寿 命 。 １．１ 粒 子 加 速 器 用 的 高 功 率 微 波 源 高能量正负电子对撞机是研究基本粒子物理的重要手段 ，美国、日本、中国及欧洲 的 一 些 国 家 均 建 有 能 量 不同的正负电子对撞机。美国斯坦幅直线加速器中心（ＳＬＡＣ）的能量为１００ＧｅＶ 的 Ｓ 波段直线对撞机（ＳＬＣ） 就是一台典型的高能正负电子对撞机，它采 用 ２４０ 个 Ｓ 波 段 速 调 管，其 单 管 脉 冲 功 率 为 ６５ ＭＷ，脉 冲 宽 度 为 ３．５μｓ，工作频率为２ ８５６ＭＨｚ［１］。中国科学院高能物理研究所的北京正负电子对撞机 ＢＥＰＣ－Ⅱ的能量为２．５ ＧｅＶ，直线加速器采用１６个脉冲功率为５０ＭＷ 的 Ｓ波段速调管，储存环的加速腔用２个输出功率为２５０ｋＷ、 频率为５００ ＭＨｚ的连续波速调管推动。一些典 型 的 用 于 高 能 电 子 直 线 加 速 器 的 超 高 峰 值 功 率 速 调 管 如 表 １ 所示。美国斯坦幅直线加速器中心、法国 Ｔｈａｌｅｓ电子器 件 公 司 （ＴＥＤ）和 日 本 东 芝 公 司 （Ｔｏｓｈｉｂａ）均 研 制 出 峰 值功率５０～１００ ＭＷ，脉冲宽度１～４μｓ的高峰 值 功 率 速 调 管；ＳＬＡＣ 为 德 国 电 子 同 步 加 速 器 （ＤＥＳＹ）研 制 成 功２００ ＭＷ 的 Ｓ波段速调管，其脉冲宽度３μｓ；中国科学院电子学研究所（ＩＥＣＡＳ）已研制成功５０ ＭＷ 的 Ｓ波 段速调管 。 ［２］ 一些典型的超高峰值功率速调管如图１所示。 为了研究宇宙起源，美国、日本、俄罗斯、中国及欧洲的一些国家正在计划合作建造 能 量 为 ０．５～１．０ＴｅＶ 的国际直线对撞机（ＩＬＣ），其有效长度为１５ｋｍ，加速梯度３５ＭＶ／ｍ，采用１４ ２４０个超导加速腔，需要７１２个 Ｌ
（ＫＥＫ）与俄罗斯核物理研究所（ＢＩＮＰ）已合作研制出７７ ＭＷ 的 ＰＰＭ 聚焦 Ｘ 波段速调管，脉冲宽度为１００ｎｓ。
目前，在较低的工作电压下工作的高峰值功率高次模多注速调管也正在研究中 。
另一类用于科学研究的加速器是同步辐射加速器、贮存环和质子直线加速器。主 要 是 将 同 步 辐 射 用 于 生 物、材料物理和化学反应等研究，也可用于核燃料生产、核废物处理及加速器驱动 洁 净 核 能 系 统。 这 类 加 速 器
５３
４３
２８０
３３５
５．０
ＴＨ２１３２
４５．５
１０
５４
４３
２２．５
１４
５１．５
３７
ＴＥＤ ２．９９８ ５
４５
２０
５４．５
４３
３１５ ２２６ ３０４
２７０ ２２１ ２９１
４．５ １２．５ ４．５
３０
５０
５３
４３
２８０
２８５
３．０
ＴＨ２１５５
ＴＥＤ ２．９９８ ５
４５
３０
５４
４４
３１４
３５０
３．５
ＴＨ２１００
需要低频连续波高功率微波源，工作频率几百 ＭＨｚ至１ＧＨｚ，输出功率几百 ｋＷ 至 ＭＷ 级。表２为部分高连
续波和 长 脉 冲 速 调 管 一 览 表。 美 国 ＳＬＡＣ 为 介 子 工 厂 （Ｂ－Ｆａｃｔｏｒｙ）研 制 的 Ｐ 波 段 速 调 管 ＢＦＫ，工 作 频 率 ３５２ ＭＨｚ，连续波输出功率１．２５ ＭＷ，效 率 ６１％。 美 国 ＣＰＩ－ＭＰＰ 公 司 研 制 的 ＶＫＰ－７９５２ 系 列 速 调 管，工 作 频 率 ７００ ＭＨｚ，连续波输出功率１．０ ＭＷ，效 率 达 ６５％。 法 国 ＴＥＤ 公 司 研 制 的 Ｐ 波 段 速 调 管 ＴＨ２０８９，工 作 频 率