Физические причины ограничения эффективности мощных многолучевых клистронов

Обсуждается необходимость трехмерного моделирования движения многолучевого электронного потока в мощных многолучевых клистронах для реализации высоких значений КПД (70% и выше). Ранее в рамках одномерной и двумерной моделей расчёты эффективности взаимодействия проводились только для одного парциального пучка, и значение выходной СВЧ мощности определялось формальным умножением полученной мощности на число парциальных пучков. Рассчитанный таким образом КПД многолучевых клистронов оказывается больше экспериментально измеренного, как правило, на 10-15% абсолютной величины. Известно, что увеличение числа парциальных пучков и поперечно-развитая конфигурация кольцевых резонаторов («сверхразмерность» резонатора), как правило, приводят к увеличению неоднородности распределения поля СВЧ по каналам кольцевого резонатора. «Сверхразмерность» резонатора порождает различие фаз СВЧ полей (фазовые набеги). В статье показано, что отбор энергии даже от идентичных электронных сгустков многолучевого потока зависит от расположения парциального пролетного канала относительно вывода энергии. Известно, что применение BAC-метода группирования электронов позволяет повысить КПД клистронов. Представленные в настоящей статье результаты 3D моделирования взаимодействия многолучевого электронного потока в выходном кольцевом резонаторе BAC-клистрона с выходной импульсной мощностью 6 МВт позволили количественно оценить влияние фазовых набегов волн. На основе 3D моделирования движения электронных пучков показано, что различие фаз СВЧ полей в выходном резонаторе существенно снижает эффективность взаимодействия и, соответственно, КПД многолучевых клистронов. Таким образом, фазовое запаздывание волн, возбуждаемых в разных пролетных каналах зазора «сверхразмерного» кольцевого выходного резонатора, является одной из физических причин ограничения эффективности многолучевых клистронов.