微波管技术的发展历程

1.速调管的发展

20 世纪70 年代至今，在应用和技术的推动下，大功率速调管在功率、效率、带宽、寿命等性能方面取得了很大突破。与此同时，在多注速调管、分布作用速调管和带状注速调管等新型速调管方面也取得了重要进展［19-25］。

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。而高功率速调管在对撞机中有广泛的应用。美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）的能量为100 GeV 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3.5 μs，工作频率为2 856 MHz。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50 MW 的S 波段速调管，储存环的加速腔用2 个输出功率为250 kW、频率为500 MHz 的连续波速调管推动。

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500 GeV 的能量，需要采用4 000 个脉冲功率为75 MW、脉冲宽度为1.6 μ s 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14.4 kW，效率大于50%。日本高能物理研究所（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100 ns ［21］。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8-4 所示［19-20］。

表8-4　高能电子直线加速器的超高峰值功率速调管

近年来，法国、日本和美国等国开始研制用于加速器的多注速调管，其中法国的Thales 电子器件公司（TED）、美国的CPI-MED 公司和日本的东芝公司等为欧洲正负电子对撞机成功研制了峰值功率为10 MW、平均功率为150 kW 的L 波段高功率多注速调管，如表8-5 所示。美国海军研究实验室（NRL）正在研制S 波段600 kW 的多注宽带速调管。美国CCR 公司和法国TED 公司等单位正在发展高峰值功率多注速调管，期望在X 波段获得大于50 MW 的峰值输出功率［21-22］。

表8-5　高功率多注速调管(www.xing528.com)

采用带状电子注技术是在高工作频率获得高输出功率的另一个重要手段，为了发展一种能够替代现有11.4 GHz，周期永磁聚焦75 MW 速调管的高平均功率、低成本的器件，SLAC 也开展了X 波段带状注速调管的研究，并完成了详细的计算机仿真设计以及高频组件的冷测。美国CCR 公司（Calabazas Creek Research，Inc.）的研究人员曾经设计了一种具有控制极的电子枪，该电子枪用于作为加速器推动源的功率为40 MW 的X 波段带状注速调管，他们也提出了一种周期永磁聚焦方案能够使得带状电子注在超过80 cm 的距离上实现98%的束流通过率。作为多年研究的结果，2009 年，美国CPI 公司（Communication and Power Industries，Inc.）首次报道了一只峰值功率为5 MW 的X 波段带状注速调管，其电子注电压和电流分别为73 kV 和152 A，实测结果表明峰值输出功率达到了2.67 MW，但束流通过率只有63%。尽管作为实际的器件来说还需要做进一步的改进完善，但CPI 的工作仍然是十分有意义的尝试［22，25］。

在国内，电子所、北京真空电子技术研究所和南京电子管厂等单位从20世纪50 年代末开始研制大功率速调管，60 年代至80 年代先后研制成功用于雷达、加速器和通信等领域的多种类型大功率速调管，并在整机系统上获得广泛应用［23］。

从1992 年开始，电子所和北京真空电子技术研究所等单位开始发展多注速调管，至今已经研制出和正在研制覆盖整个微波波段的多种类型多注速调管，其中多种类型的多注速调管已用于实际的微波电子系统。近年来，电子所、北京真空电子技术研究所和电子科技大学等单位正在开展带状注速调管和分布作用速调管的研究工作。我国研制的大功率速调管，其峰值功率已超过50 MW，平均功率已达100 kW。电子所、高能所和4404 厂等单位已研制成功50 MW 和65 MW S 波段高峰值功率速调管，电子所正在研制100 MW S 波段高峰值功率速调管。电子所研制的高平均功率速调管，其平均功率在L 波段达到了100 kW，在S 波段达到了50 kW。为雷达和电子对抗系统研制了多种类型的宽带速调管，其产品的工作频率覆盖整个微波波段，脉冲功率达数百千瓦至数兆瓦，带宽为其中心频率的5%～10% ［23-24］。

2.磁控管的发展

在电子直线加速器中，微波源大都采用高功率磁控管或速调管。与速调管相比，磁控管具有这些优点：一是磁控管效率高，一般为40%～60%，而速调管为20%～40%；二是速调管作为功率放大器，还需要激励源，而磁控管本身即是振荡源，体积小，更适合安装于机器的回转体中；三是速调管的内阻较高，工作电压高达150～200 kV，而磁控管的工作电压一般小于50 kV。因此，磁控管广泛应用于低能、中能和部分高能级直线加速器，而速调管一般在大型高能加速器中使用［23，26］。

磁控管作为一种振荡型微波真空器件，其工作电压低、效率高。连续波磁控管的输出功率为几kW 至100 kW，广泛应用于电子对抗、家用微波炉、工业加热和微波理疗装置。脉冲磁控管广泛应用于引导、火控、测高、机载、舰载、气象等雷达系统和粒子加速器。前向波放大器是基于磁控管工作原理的一种正交场放大器件，它结合磁控管和行波管的优点，具有工作电压低、工作带宽宽的优点，其脉冲功率达几十kW 至MW 级，平均功率为kW 至十几kW，应用于宽带雷达系统［26］。

在大功率、高频段领域，磁控管的应用较少，现在较少有大能量加速器系统采用磁控管作为微波源，但在中低能量加速器领域，较小体积的磁控管也不失为一种很好的选择。