基于IOT放大器的微波功率源在超導直線加速器上的應用

和天慧，羅 星，勞成龍，周 奎，單李軍

(中國工程物理研究院 應用電子學研究所，四川 綿陽 621900)

太赫茲(THz)輻射通常是指頻率范圍在0.1～10 THz的電磁輻射，其波段位于微波和紅外光之間。隨著科學技術的發展，大功率的太赫茲源顯示出越來越重要的作用。基于自由電子激光(FEL)的太赫茲源是目前世界上輸出功率最大的太赫茲源，能產生平均功率幾百瓦、峰值功率幾兆瓦的太赫茲輻射，同時還具有大范圍內波長連續可調、光束品質好、光脈沖寬度精細可調等優點。中國工程物理研究院太赫茲自由電子激光裝置(CTFEL)是中國首臺諧振腔型太赫茲自由電子激光裝置[1]。

CTFEL的射頻超導直線加速器[2]需由高平均功率和高穩定度的微波功率源驅動。加速腔的加速梯度設計值為8～10 MV/m，平均電子束電流為1～5 mA。加速場的幅值穩定度和相位穩定度要求分別好于0.3%和0.3°。這需要微波功率源輸出至少25 kW的連續波功率，幅值穩定度和相位穩定度分別好于0.3%和0.3°。相比于傳統的速調管微波功率源，基于感應輸出管(IOT)的微波功率源不需龐大的變壓器油箱，體積小、重量輕、安裝方便。CTFEL采用了兩套L波段25 kW IOT微波功率源驅動超導直線加速器的兩個4-cell超導加速腔。本文對用于CTFEL的基于IOT的微波功率源進行調試，并對4-cell超導加速腔的性能指標進行實驗研究。

1 微波功率源

1.1 IOT工作原理

IOT是將靜電控制管和速調管相互結合而成的一種密度調制微波管，由Haeff[3]首先提出。IOT主要由輸入腔、輸出腔、陰極、柵極和收集極構成[4-7]。

IOT工作時，1.3 GHz的射頻信號被加載到輸入腔，在陰極與柵極間的間隙產生射頻場，控制陰極的電子發射，對電子束進行密度調制。調制后的電子束經柵極偏壓聚束后通過柵格，進入柵極與收集極之間的漂移空間，并被加載在柵極和收集極之間的束高壓加速。加速中的電子束通過輸出腔處的耦合機構時，在輸出腔中感應出射頻場，電子束與射頻場相互作用使得射頻場獲得放大，放大后的大功率微波經輸出傳輸線輸出。能量降低后速度降低的電子束由收集極回收。IOT原理如圖1所示。

圖1 IOT原理Fig.1 Schematic of IOT

1.2 微波功率源結構

微波功率源主要由1套高壓直流(HV-DC)電源、1個固態微波功率放大器(SSPA)、1個IOT和1個主控制器構成，可分別工作在連續波(CW)和脈沖模式。高壓直流電源用于提供IOT所需的束高壓。SSPA由低電平控制系統(LLRF)提供的信號驅動，并輸出微波激勵信號給IOT。IOT將SSPA輸入的微波激勵信號放大后輸出大功率微波，并經WR650波導輸出到超導直線加速器。主控制器通過外接計算機監控微波功率源運行。微波功率源的其他部件包括離子泵電源、燈絲電源、柵極電源、聚焦磁場電源、風冷水冷、光弧探頭等。微波功率源結構如圖2所示。

微波功率源的監控操作由外接計算機客戶端進行。客戶端可控制微波功率源分別進入待機、預熱和微波輸出3種狀態。待機狀態是微波功率源開機后自動進入的狀態。預熱狀態是微波功率源開機的中間過程，完成對IOT的預熱。微波輸出狀態是微波功率源可輸出大功率微波的狀態。微波輸出狀態下長時間沒有微波輸入信號時微波功率源會自動跳轉回待機狀態。各狀態可在客戶端操作下依次進入或返回。微波功率源技術參數列于表1。

圖2 微波功率源結構Fig.2 Structure of microwave power source

表1 微波功率源技術參數Table 1 Technical parameter of microwave power source

1.3 微波功率源系統

CTFEL的微波功率源系統由兩套微波功率源、兩套微波傳輸系統、1套水冷系統和1套計算機控制系統構成。微波傳輸系統主要由波導、定向耦合器及軟波導構成。兩套微波功率源通過兩個微波功率耦合器分別與超導直線加速器的兩個4-cell超導加速腔連接。

微波功率源輸出的高功率微波經微波傳輸系統傳輸到微波功率耦合器，通過微波功率耦合器耦合到兩個4-cell超導加速腔。定向耦合器用于監測微波前進及反射功率。圖3示出微波功率源系統結構。

2 微波功率源實驗

2.1 微波功率源調試運行實驗

微波功率源安裝完成后進行了大功率調試運行實驗，實驗原理如圖4所示。微波功率源由信號源產生的微波信號驅動，微波功率源輸出的大功率微波通過波導和定向耦合器后由大功率水負載吸收。定向耦合器提取微波信號輸入功率計測量微波功率。信號源產生的微波信號經移相器移相后輸出到IQ調制器LO端，定向耦合器提取信號輸出到IQ調制器RF端，IQ調制器輸出I、Q信號到數字示波器中測量幅值穩定度、相位穩定度和功率穩定度。實驗結果表明微波功率源工作狀態達到預期要求。兩套微波功率源(SN001，SN002)輸出的連續波功率在頻率為1 300 MHz時均達到30 kW，其幅值穩定度、相位穩定度和功率穩定度在輸出連續波25 kW的狀態下的測試結果列于表2。

圖3 微波功率源系統結構Fig.3 Structure of microwave power source system

圖4 微波功率源測試原理圖Fig.4 Schematic diagram of microwave power source test

表2 微波功率源測試結果Table 2 Test result of microwave power source

2.2 功率耦合器老煉實驗

微波功率源調試運行實驗結束后，開展了功率耦合器老煉實驗。老煉實驗在老煉平臺上進行，兩支功率耦合器的加速腔耦合端連接老煉平臺，一個波導端通過波導、定向耦合器連接微波功率源，另一個波導端連接水負載。功率耦合器通過外接水冷、氣冷、液氮冷卻系統和真空系統來帶走老煉過程中承受大功率微波通過時產生的熱量和由此釋放的氣體。老煉平臺控制系統用于實時檢測功率耦合器狀態，并在狀態異常時切斷微波功率源輸入功率。功率耦合器老煉平臺如圖5所示。

圖5 功率耦合器老煉平臺Fig.5 Conditioning platform of power coupler

為逐步提高功率耦合器承受大功率微波通過的性能，實驗先對功率耦合器進行了脈沖功率老煉，之后進行了連續波功率老煉。

脈沖功率老煉先進行行波模式后再進行駐波模式。行波模式下大功率微波通過功率耦合器及老煉平臺后被水負載吸收。駐波模式脈沖功率老煉通過將水負載更換為1個可調短路面波導來進行，通過調節短路面位置，微波脈沖在功率耦合器和老煉平臺內形成駐波場，達到功率耦合器承受微波功率翻倍的效果。由于大功率微波在短路面處全反射回微波功率源，微波功率源經常因反射回的微波功率過大而跳停。在不損壞微波功率源的前提下，駐波模式脈沖(10 Hz，10 ms)功率老煉完成后，功率耦合器可承受20 kW的脈沖功率。

連續波功率老煉完成后，功率耦合器可承受30 kW的連續波功率，達到了設計要求。

2.3 超導直線加速器實驗

超導直線加速器、功率耦合器、微波功率源系統及低電平控制系統完成聯調后，開展了4 K溫度下的超導加速器加速梯度校準實驗，并于之后完成了2 K溫度下的加載電子束實驗。

實驗中，微波功率源系統輸出大功率微波經功率耦合器耦合到超導加速腔中，超導腔提取信號輸出到低電平控制系統中對信號源輸入的信號進行調制，調制后的信號驅動微波功率源輸出大功率微波，形成閉環。通過低電平控制系統的反饋控制，可有效提高超導腔內加速場的幅值與相位的穩定度。

實驗測得兩個超導加速腔的有效加速梯度分別為10.07 MV/m和10.05 MV/m，達到了設計指標10 MV/m。測得加速場的幅值穩定度和相位穩定度最大值分別為0.04%和0.08°，優于設計指標0.3%和0.3°。在超導直線加速器加載電子束實驗中，5 mA的電子束被加速到了8 MeV，且能散低于0.3%，滿足了裝置的要求。加速場微波波形如圖6所示。在隨后進行的CTFEL聯調實驗中，于2017年8月29日獲得首次飽和出光。之后CTFEL運行穩定，并進行了一系列用戶實驗。

3 微波功率源問題及討論

微波功率源在調試及后期的運行過程中出現了一些問題，有些問題得到解決，有些則需要討論。

在調試過程中出現了水冷和風冷流量不足導致微波功率源報警且無法正常工作的問題。故障原因在于流量計，水冷流量計測量結果小于實際值，風冷流量計位置偏移導致測量結果偏小，通過在計算機客戶端修改主控制器流量報警下限及調整風冷流量計位置，微波功率源得以正常工作。

a——空載；b——加載電子束圖6 加速場微波波形Fig.6 Microwave waveform of accelerating field

在后期運行過程中，相繼出現了柵極電源、燈絲電源和高壓直流電源控制器故障。柵極電源和燈絲電源的故障狀態在計算機客戶端有提示，通過更換電源內電路板上的故障集成塊解決了問題。高壓直流電源控制器故障在計算機客戶端沒有提示，外在表現為高壓直流電源運行幾個小時就會跳停，需重新加載束高壓。經過一段時間后確定是高壓直流電源控制器的問題，更換控制器內電路板上的損壞集成塊后，問題解決。還有一些問題，雖不影響微波功率源工作，但可能會影響IOT壽命。

在微波功率源運行1 a多后出現了預熱時間結束后燈絲電源電壓未升到設定值，微波功率源跳轉回待機狀態的故障現象，通過重新設置主控制器，增加預熱時間的辦法解決了問題。經討論后估計可能是燈絲老化，電阻發生變化的原因。

后來又出現了柵極電流過大的問題，但不影響微波功率源正常工作。估計可能是陰極蒸發的氣體附著在柵格上導致的。

4 結論

本文對用于CTFEL的基于IOT的微波功率源進行調試，其主要參數均達到設計要求，超導直線加速器的幅值穩定度和相位穩定度分別為0.04%和0.08°，優于設計指標。調試過程中更換備用IOT及其他零部件較為方便，IOT微波功率源的操作與控制也相對簡單，較傳統的速調管微波功率源便于使用和維護。

由于CTFEL上使用的兩套微波功率源是廠家首批次研制成功的產品，不可避免地存在一些瑕疵，解決這些問題后，微波功率源工作非常穩定，目前已運行將近2 000 h。