新知 | 速调管：小器件 大用场｜观天测地

编者按：从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设“观天测地”专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。

很多人可能没听过“速调管”，但对电子管大都略知一二。如果看过电影《永不消失的电波》，会知道发报机的心脏就是电子管，许多情报人员为了获得电子管而失去生命。上世纪五六十年代，收音机就是电子管收音机，最早的电视机也是采用电子管，连早期的计算机也是采用电子管。

通俗地讲，速调管是一种微波电子管。

追根溯源：速调管的前世今生

电子管的发明和发展与无线通信的发展紧密相联。19世纪末20世纪初，电子和电磁波的发现开创了人类无线通信的新时代。通信技术的日益发展迫切需要性能优良的信号源、检波器。1904年，英国弗来明发明了二极电子管作为检波器，成为电子管时代的开始。1906年，美国的福雷斯特发明三极电子管，诞生了能够产生和放大电磁波的有源器件，后来制成了四极管、五极管和微波三、四极管，成为无线电装备的核心器件。20世纪20年代起，在应用和技术进步的推动下，发明了基于动态控制原理和分布高频电路的微波电子管。

速调管作为一种动态控制微波电子管，发明于20世纪30年代。这是多人研究的结果。1932年，前苏联列宁格勒工学院的物理学教授D.A.Rozhansky提出了产生密度变化电子注的方法；1935年，与Rozhansky教授一起工作的物理学家Agnessa.Arsenjewa 和她的丈夫、德国的Oskar-Heil提出了电子的速度调制和群聚的原理，发明了Heil振荡器——一种采用同轴谐振腔的漂移管振荡器；同期，美国斯坦福大学物理学副教授W. W. Hansen发明了微波谐振腔，并发展了将谐振腔等效为电路元件的理论，推导出各种形状的谐振腔本征值的分析表达式；1937年，美国的Russell Varian和Sigurd Varian兄弟制成双腔速调管并申请了专利，成为公认的速调管的发明人。

目前，速调管的工作频率覆盖整个微波波段和部分毫米波波段，最高脉冲输出功率达百兆瓦量级，最高连续波输出功率达兆瓦量级。对于不同的工作频率和输出功率，速调管的长度从几十厘米到5米，其质量从几千克到2500千克。从某种意义来说，速调管是一种复杂的真空电子器件。

速调管“信号放大”的基本工作原理

速调管的主要工作原理（图1和图2），是基于速度和密度调制原理，将电子注动能转换成微波能量。速调管实现信号放大的物理过程分以下几步：

• 第一步：速度调制，产生电子群聚。

由热阴极产生的电子在高电压作用下获得动能，并形成一定形状的电子注，将电源的能量转换为电子注动能。电子注通过输入谐振腔，在高频电场作用下产生速度调制，电子注通过一定长度的漂移段后产生密度调制，使电子注中电子分布疏密不均，电子发生了群聚。

• 第二步：更强的速度调制，形成高度群聚的电子注。

群聚电子注中包含有输入高频电场的基波和谐波分量，当它通过第二个谐振腔间隙时，将在谐振腔内激励起高频感应电流，并在谐振腔间隙上建立起比输入谐振腔更高的高频电场。该高频电场反过来对电子注产生更大的速度调制，从而在第二个漂移管内产生更强的密度调制。电子注通过多个中间谐振腔和漂移段时，重复上述速度调制和密度调制过程，到达输出腔入口时，形成高度群聚的电子注。

• 第三步：群聚电子注将能量交给高频电磁场，实现高频信号放大。

进入输出腔的群聚电子注中包含有很高的基波电流分量，当其通过输出腔间隙时，建立起很高的高频电场。群聚电子注与输出腔中的高频电场相互作用，将其部分动能转换成高频能量，实现高频信号的放大。

▲图1 速调管工作原理示意图

▲图2 在一个高频周期内，电子注产生群聚

作为一种复杂的真空电子器件，速调管采用金属陶瓷结构，主要包括：产生、形成电子注的电子枪组件（包括阴极、热子），完成电子注与高频电磁场相互作用，实现微波能量放大的高频组件（包括输入腔、中间腔和输出腔），输入和输出微波信号的输入窗组件和输出窗组件，收集完成微波放大的剩余电子注能量，将其动能转换成热能的收集极组件，以及维持速调管高真空的离子泵组件等部分（图3）。此外，为了保证速调管正常工作，还需要保证电子注通过高频互作用区不发散的磁场聚焦系统，以及冷却速调管管体和收集极的冷却系统等。

▲图3 速调管结构和外形图

堪称微波电子系统“心脏”的速调管应用

速调管产生的大功率微波作为信息载体，在探测空间目标的各种雷达系统和传播信息的通信与广播系统获得了广泛应用；而作为能量载体，则在各种粒子加速器、微波加热装置和材料处理等方面获得广泛应用，是上述系统中可以产生大功率微波的核心电子器件，堪称“心脏”。

• 用于高能粒子加速器

高能带电粒子是探测物质结构的重要工具，而利用微波电磁场加速电子、质子等带电粒子是实现高能量带电粒子的主要手段。中国科学院高能物理研究所（高能所）于1990年建成运行北京正负电子对撞机（BEPC），BEPC-II的能量为2.5吉电子伏特（GeV），直线加速器采用16个脉冲功率为50兆瓦的S波段高峰值功率速调管，储存环的加速腔用2个输出功率250千瓦、频率为500兆赫的连续波速调管推动。中国科学院空天信息创新研究院（空天院）与高能所等单位已研制成功50MW、65MW和100MW S波段高峰值功率速调管。目前，多国正在合作建造的国际直线对撞机（ILC）则需要712个L波段多注速调管推动，其脉冲功率10兆瓦，平均功率150千瓦，脉冲宽度1.5毫秒。图4左为空天院研制的S波段50兆瓦高峰值功率速调管。图4右为日本东芝公司研制的L波段10兆瓦多注速调管。

▲图4 左为空天院研制的S波段50兆瓦高峰值功率速调管，右为日本东芝公司研制的L波段10兆瓦多注速调管E3736，长度2.3米，质量340千克（不包括聚焦磁场系统）

另一类用于科学研究的粒子加速器是同步辐射加速器、贮存环和质子直线加速器。其中，强流质子直线加速器用于产生中子，这类加速器需要低频段、高功率速调管，其工作频率在几百兆赫至1千兆赫，输出功率几百千瓦至兆瓦级。例如高能所等单位在广东东莞建造的中国散裂中子源装置，其强流质子直线加速器由频率354兆赫，脉冲功率2.5兆瓦、脉冲宽度600微秒的长脉冲速调管推动。由于工作频率低、输出功率大，这类速调管的体积和重量都很大（图5）。

▲图5 法国TED公司生产的P波段速调管TH2089，工作频率为352MHz，连续波输出功率为1.1MW，管长49米，质量2500千克

• 用于可控热核聚变装置

可控热核聚变是解决人类能源的重要途径之一。为了实现可控热核聚变，要求等离子体达到一定的温度、密度和持续时间，采用电磁波加热是驱动高温、高密度等离子体的重要手段之一，其中低混杂波加热采用大功率连续波速调管。空天院已研制出S波段200千瓦、C波段250千瓦连续波速调管（图6），并成功应用于中国科学院合肥物质科学研究院所属等离子体物理研究所的超导可控热核聚变装置-东方超环（ESTA），目前正在研制C波段500千瓦连续波速调管。

▲图6 空天院研制的应用于ESTA的C波段250千瓦连续波速调管

• 用于医用和工业辐照加速器

医用电子直线加速器是一种大型医疗设备，采用加速器产生的高能X射线与高能电子束对恶性肿瘤作放射治疗，具有较好疗效；也可用于材料改性、新材料制作、医疗卫生用品灭菌消毒和食品灭菌保鲜等方面。能量10兆电子伏特（MeV）的医用和工业辐照加速器，采用峰值功率5兆瓦、平均功率5-45千瓦的速调管驱动。空天院已研制成功用于医疗和辐照加速器的多种类型S波段高功率脉冲速调管，其峰值功率5兆瓦、平均功率5-45千瓦（图7）。

▲图7 空天院研制的S波段5MW大功率速调管

• 用于深空探测和深空通信

深空探测和通信系统是人类探索宇宙空间的重要手段。围绕探月工程，我国已建成天线直径66米的S/X双频段深空测控通信系统（佳木斯站）和天线直径35米的S/X/Ka三频段深空测控通信系统（喀什站），并正在建设探测太阳系内天体和小行星的深空雷达网“中国复眼”（一期已建成，二期已启动）。深空测控雷达和通信系统需要工作在S、X波段，输出功率15-200千瓦的大功率连续波速调管，空天院已研制成功S波段18千瓦，X波段15千瓦、100千瓦和200千瓦大功率连续波宽带速调管（图8）。

▲图8 空天院研制的X波段200kW连续波速调管

• 用于通信和广播系统

通信和广播系统是速调管的一个重要应用领域之一。目前，电视广播用速调管的工作频率在470-860兆赫之间，输出功率在数千瓦至数十千瓦范围（图9）。用于散射通信、卫星通信和中继通信的速调管，其工作频率覆盖整个微波波段和部分毫米波段，其连续波输出功率数千瓦至数十千瓦。这些速调管采用机械调谐扩展速调管的工作频带，并采用信道调谐装置，预设工作频率点，实现快速频率调谐（图10）。

▲图9 英国E2V公司生产的高效率速调管K3773BCD外形照片，用于UHF电视业务声音和图像发射机的输出级

▲图10 美国CPI公司研发的S、C和Ku（从左到右）波段信道调谐速调管

以上只是速调管的部分应用案例。作为一种大功率微波电子管，速调管已广泛应用在我国的科学研究和国民经济发展的各个领域，在大功率微波电子系统中具有不可替代的作用。未来，在应用需求和技术进步的推动下，速调管将向更高工作频率、更大功率、更高效率和更长寿命方向发展。

来源：中国科学院空天信息创新研究院