速调管工作原理

我们先看最后一个空腔，即微波能量输出腔。可以设想，如果这个空腔被设计成为类似于图2-9-2C所示的等效LC谐振腔体，那么，当有一个电子高速掠过槽口时，必然会在槽口处和槽腔内先后产生类似于图2-9-10所示的感应电场与感生磁场，并会产生类似于图2-9-11所示的运动电子与感应电场之间的能量转换关系，从而可以产生并输出具有一定能量的微波功率。但是，一个电子携带的能量是有限的，甚至是微不足道的。不难理解，电子越多，产生的微波能量就越多，当有无数个电子同时掠过槽口时，就会产生非常强大的微波功率。但这里有一个条件，就是这些电子必须“同时”掠过槽口，不能前后分散开来，否则，前后电子感应产生的微波能量就会相互抵消，使产生的微波总能量大打折扣。因此，如何注入一簇一簇高速运动的电子群，就成为能否成功的关键课题。

那么，怎样才能获得一簇一簇的电子束群呢？其实，速调管的前三个谐振腔就是为这一目的而设置的。

在设计速调管谐振腔时，首先要根据所需要的微波频率和输出功率，通过合理设计谐振腔的结构尺寸来确定其固有谐振频率。当速调管工作时，首先要注入低功率微波源，让这四个谐振腔受激产生共振（谐振）。图2-9-19就展示了在某一时刻各个腔内产生的振荡电流和振荡磁场方向，这种交变振荡的电磁场首先是由注入器引起的电磁共振结果。这时，由电子枪注入的初始电子束流处于相对松散的状态，当这些电子高速运动经过输入腔槽口时，只要相位合适，必然会通过能量交换来加强腔内的初始振荡功率，而电子本身的动能会降低，其结果是处于正半周的电子被减速。同样原因，处于负半周的电子会被加速，即电子速度被“调制”，经过速度调制的电子群，处在前面的电子速度降低，而后面的电子速度增加。在经过“漂移管”时，前边的电子与后边的电子会进一步向一起靠拢，这种电子向一起汇聚的现象称为电子的“群聚”效应。另外，因大量电子聚在一起具有散焦作用，所以速调管外必须套一个大功率的聚焦线圈，以便对高速运动的电子产生更大的径向群聚作用。如果能让“群聚”过的电子在漂移管内的渡越时间正好等于高频场振荡的半周期，即经过第二腔和第三腔时，高频振荡方向正好反向，则这些电子会受到进一步的“群聚”作用，形成一个个体积很小、但能量很高的电子束群。当到达最后一个谐振腔，即输出腔时，可将“群聚”电子团看成一个个携带巨大电量与能量的小“电子球”，这些球与球之间的距离正好就是电磁振荡的一个周期，于是，就可以在最后一个腔的出口处输出频率由驱动器确定、而功率被巨幅放大的微波能量。这样，就从理论上解决了上面所提出的电子“集聚”问题，这就是大功率速调管的基本工作原理。

由于经过“速度调制”才能获得“群聚”电子，并最终产生微波功率放大效应，所以，这种微波源被称为“速度调制微波管”，简称“速调管”。

显然，当群聚电子束团越过最后一个谐振腔（输出腔）时，仍然携带很高的电子能量（动能），所以，必须在其末端设置电子“收集极”。收集极一般是一个空心圆筒，形成一个既无电场又无磁场的独立空间，以便于电子流在其中散开，防止热量过分集中。

电子束团完成使命之后，会直接撞击收集极，其剩余能量会在收集极变成大量的热能，因此必须加强对收集极的冷却降温措施，一般是采取油冷与水冷相结合的降温措施，以保证速调管能在恒温状态下稳定工作。因为大量的电子能量会以热能散失，所以速调管的能量转换效率通常只能达到30%～50%。

图2-9-19　电子束群通过谐振腔的振荡群聚原理

速调管在工作时，注入的电子是由灯丝加热阴极发射出来的。为了得到高能电子束流，往往要在阴极与阳极之间施加很高的直流脉冲电压，大功率速调管的工作电压一般高达100kV以上，因此，必须加强绝缘保护，通常是将速调管的阴极和灯丝浸泡在高压绝缘油里面，而且对绝缘油的绝缘性能提出了很高的技术要求。

各谐振腔的调谐对速调管的增益、带宽性能至关重要，一般各腔体要采用电感调谐方式，可以在满足一定带宽的条件下获得尽可能大的功率增益。这说明，这种大功率速调管微波源具有功率大、频带窄的特点，比较适合于具有单色特征的驻波加速管，故这种大功率速调管微波源在高能驻波医用电子直线加速器中得到普遍应用。

可见，与磁控管相比，由于结构特点与工作原理不同，速调管可以产生并输出比磁控管大的微波功率，但其结构更加复杂，工作效率也比较低，要求的各种条件也比较苛刻，所以，通常只有当磁控管的微波输出功率不能满足要求时才选用速调管。