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高次模多注速调管具有高功率、高频率、高效率和长寿命等优点,在高能加速器、正负电子对撞机和超远程雷达等系统中拥有广阔的应用前景。尤其是近年来在欧洲X射线自由电子激光器、德国超导直线加速器以及正在计划中的国际直线对撞机等大科学工程需求的牵引下,高次模多注速调管的研究受到了广泛的关注,并已成为当前高功率微波电真空器件领域的研究热点。但是,高次模多注速调管与生俱来的模式竞争、输出腔高次模场分布不均匀性以及复杂的输出耦合等问题,制约了其发展和应用。因此,深入研究高次模多注速调管的杂模抑制及输出耦合等问题具有重要的学术价值和工程意义。
本论文针对高次模TM310模多注速调管中存在的杂模抑制、输出腔工作模式场分布均匀性以及TM310模双间隙耦合腔耦合方式等一系列问题进行了深入的研究,不仅可以解决此类速调管目前所面临的发展瓶颈,还能够为今后新型微波电真空器件的研究提供技术储备。本论文的主要研究内容和取得的创新性成果可以概括为如下五点:
(1)提出了针对TM310模圆柱形谐振腔的杂模抑制方法。在圆柱形谐振腔中央设置一个接收振子天线以抑制TM020模；在漂移头之间工作模式电场最弱处设置短路杆阵来抑制正交TM310模。理论分析和仿真计算表明,该方法可有效增大工作模式与临近杂模的频率间隔,从而实现杂模抑制的目标。
(2)提出了针对TM310模同轴谐振腔中的杂模抑制方法,即在谐振腔上下盖板设置一对金属环。借助电磁场仿真软件(CST-MWS),研究了TM310模同轴谐振腔,并进行了加工测试。冷测结果表明:在保证工作模式的谐振频率为8.5 GHz时,设置金属环可使工作模式TM310模与杂模TM210的频率间隔增大134％,即可达到1.17 GHcz,虽然工作模式与正交TM310模的频率间隔减小,但仍可达1.48 GHz。研究还表明,金属环的设置对工作模式的影响甚微,因此可以通过设置金属环的方法来抑制杂模。
(3)提出了在TM310模同轴输出腔中适当位置设置金属环和短路杆的方法,来实现杂模抑制、改善工作模式场分布均匀性以及降低外观品质因数等目标。借助CST-MWS研究了TM310模同轴输出腔,并加工测试了该腔。冷测结果表明:设置金属环和短路杆能使外观品质因数由507.4降至193.5；场分布均匀性的指标从7.44Ω降至0.25Ω,这表明输出腔中的场均匀性改善了96.6％。在保证工作模式的谐振频率为8.56 GHz时,设置金属环可以使工作模式TM310与杂模TM210模的频率间隔由原来的0.42 GHz增大到1.22 GHz,增大了190.5％,而且TM310模与正交TM310模的频率间隔仍可达1.54 GHz,可以保证工作模式在工作频率范围内稳定地工作。
(4)提出了TM310模双间隙耦合腔的耦合方式,即采用6个独立耦合缝连接两个间隙。该耦合方式不仅能保证双间隙耦合腔内工作模式场分布的均匀性,还能减少双间隙耦合腔中模式的数量,并降低模式谱的密度,有利于选取高次模式工作。进一步的研究工作表明,在双间隙耦合腔中设置金属环可以有效地增大工作模式与临近杂模的频率间隔,而且通过在耦合槽中放置微波吸收材料可以有效地抑制非工作的π模,从而有效地保证在工作频率范围内工作模式不受杂模干扰。
(5)提出了通过散射参数S21曲线来计算和测量双耦合孔输出腔外观品质因数的方法。通过理论分析、仿真验证和实测比较,证实了该方法的可行性。此外,还提出了通过在双耦合孔输出腔内设置金属环和短路杆的方式来改善工作在高次模式TM310模双耦合孔输出腔中场分布均匀性、抑制杂模和降低外观品质因数等。