高效率速调管：从梦想到现实

《Physical Review Accelerators and Beams》：High-efficiency klystrons from a dream to a reality

　　

过去十年间，与工业界合作开展了一项关于高效率速调管的全面研究与开发（R&D）计划。初步原型机已接受测试，实验结果显示出显著的前景。本文是Catalan-Lasheras等人在[JACoW IPAC2024, FRYD1 (2024)]中所报告工作的扩展和更新版本。在简要概述该研发计划之后，本文将介绍最新的实验发现，并讨论未来发展，包括面向下一代对撞机应用的新型真空管拓扑结构。

**I. 引言**

自1937年Varian兄弟制造出第一台原型机以来，速调管射频放大器一直被广泛应用于粒子加速器和电信领域，提供了一种可靠且经济的解决方案。几十年来，这项技术在提供射频功率生成效率方面一直被视为成熟技术。总体而言，脉冲式、高频和高峰值射频功率管的速调管效率稳定在约42%至45%。转向中等功率水平、低频的连续波（cw）设备时，商用速调管的效率通常达到60%，少数原型机已展示出70%的效率记录[1]。早在2010年，CERN就开始探索提升速调管效率的可能性，旨在优化射频功率生成并降低大型加速器设施（如CLIC）的整体功耗。2015年，CERN建立了广泛的速调管技术研究工作。该活动包括开发新的计算机仿真工具[2]以及深入研究束流动力学，以了解限制效率的因素。由此，开发了一系列新的束团聚焦方法[3–6]，与现有商用设备相比，可使速调管的射频功率生成效率提高10%至30%。在CERN的高效率（HE）速调管计划下，与工业合作伙伴共同制造了两台此类速调管：一台是与Canon ETD（日本）合作开发的8兆瓦（MW）脉冲X波段速调管，另一台是为LHC开发的350千瓦、0.4千兆赫兹连续波速调管，与Thales（法国）合作完成。两种设计均采用改造方案，与现有基础设施兼容。CERN还着手设计了一种新型速调管拓扑结构，可用于为未来能量前沿对撞机供电，如未来环状对撞机（FCC）、国际线性对撞机或紧凑型线性对撞机（CLIC）。同时，与兰开斯特大学的合作也在推进速调管开发，以应用于未来的缪子对撞机。本文将描述近年来带来的范式转变和创新。文中提到的原型机将作较为详细的描述，包括现有的实验结果。

**II. 愿景**

**A. CERN的高效率速调管计划**

对于全球所有规划中的轻子对撞机，所需插入功率中的很大一部分（40%–60%）来自射频，且在大多数情况下，射频功率由具有大峰值和平均功率的速调管提供。因此，自然需要寻找这些设备的最高效率，即提取的射频功率与速调管束流功率之比1。2015年，CERN与兰开斯特大学和SLAC联合启动了一项计划，推进为高能粒子加速器所需的高效率速调管设计。该计划称为高效率国际速调管活动[7]，重点是对过去提出的各种束团聚焦技术进行基准测试，并开发提高效率的新方法。

**B. 速调管动力学**

如图1所示，速调管中的射频功率放大是通过束团聚焦直流电子束来实现的。该电子束的电流为，由热阴极发射并经高压加速。束流穿过输入腔体，在其中与所需频率的射频场相互作用。电子感受到的变化场会调制其速度，导致束流在该射频频率上形成束团。当形成束团的束流经过放置在合适位置的输出腔体时，大多数电子被减速并在与输入信号相同的频率上产生高得多的信号。

**图1. 速调管的简化示意图。** 右侧可看到束流沿通道的密度演化。图片来源：Canon ETD。

被减速的电子最终到达收集器，通常由铜制成，其能量在此转化为热量并被适当冷却。这些已耗竭的电子以及那些从未在输出腔体处合入束团的电子，均不对提取的射频功率作出贡献。当纵向密度调制在输出腔体处达到最大值时，产生最大功率。这是简单双腔体速调管的工作原理。在实际中，输入腔体和输出腔体之间放置了一些无源腔体以改善束团聚焦过程。这些腔体的位置、阻抗和频率曾经通过解析模型近似计算，如今则通过数值方法进行优化。

下面引入发射度，这是一个与速调管效率相关的重要束流参数，定义为：

该量也可表示为微发射度，由空间电荷受限状态下阴极的电子发射和枪体几何形状决定。对于给定的束流功率，高发射度意味着更高电流和/或更低电压，这会导致更强的空间电荷力。相反，较低电流和较高电压都有助于减小同样的空间电荷力。腔体中产生的射频场与束流内部空间电荷力之间的相互作用将决定束团聚焦的质量，从而决定速调管的效率。速调管的效率与其微发射度成反比。提高效率的一种方法是使用许多低微发射度的束流，这被称为多束流速调管（MBK），以同时实现高效率和功率输出。

速调管中的束团聚焦过程是一个非常非线性的过程，由粒子与射频场的相互作用以及束流内部的空间电荷力驱动。这种复杂相互作用的结果之一是不完全的"束团饱和"：由于束团核心处电子的速度调制与外围处不同，并非所有粒子都能以正确的相位到达输出腔体而被减速。在所谓的"反束团"中的电子将以错误相位到达输出腔体，并消耗部分射频功率。为克服此类限制，2014年引入了核心振荡方法（COM）[3]。该方法建议增加腔体间的距离，使空间电荷略微去聚焦束团核心，同时保持外围电子的近乎层流束团聚焦。这种方法的缺点是速调管长度需要比经典束团聚焦技术增加2至3倍。后来，开发了束团-对齐-收集（BAC）方法以减少束团聚焦长度[4]。在那里，不是通过空间力对核心去聚焦，而是引入额外的"去聚焦"腔体（对齐），采用容性调谐，并配合二次谐波腔体（收集）来加速外围电子的束团聚焦。总体而言，与COM相比，BAC大幅缩短了束团聚焦长度，尽管需要更多腔体。BAC概念已在两台原型机中得到验证[8,9]。最后，在核心稳定方法（CSM）[5,6,10]中，在束团聚焦电路中使用了更高次（二次和三次）谐波腔体。谐波腔体在核心中产生子束团，然后由倒数第二个腔体将其合并为单一束团，同时外围电子在整个速调管长度上被强烈推向中心。CSM方法已被采用于LHC 400 MHz高效率速调管改造（将在后文中介绍）以及CEPC 800 MHz单束流和多束流高效率速调管[11]。

**C. 速调管仿真：KlyC套件**

2017年，CERN发布了一款名为KlyC的速调管优化与仿真代码[2]，该代码在实现高效率速调管的快速精确设计方面发挥了重要作用。该1.5维代码纳入了空间电荷力、相对论效应和径向分层效应，与cst[12]或Magic[13,14]等三维PIC商用仿真软件包相比，仿真精度达到2%的效率误差。KlyC沿速调管通道模拟束流，并对腔体频率和间距等参数进行优化以最大化效率。该代码的运行速度比其他商用三维代码快100至1000倍，大大促进了设计迭代。过程中还添加了更高级的功能，如耦合模态分析、单otron振荡预测、直流间隙加速和完整的小信号理论诊断，以应对不稳定性、避免反射电子或拓宽带宽。该软件此后被软件开发人员、用户和速调管制造商进行了基准测试，并继续加入新模块。软件包中还包含一个束流光学仿真工具（CGUN），允许用户模拟二维横向光学问题。KlyC目前已在公共领域提供使用，并被不同实验室（CERN、CEA、SLAC、KEK、PSI和ESS）和工业合作伙伴（Thales、CPI、Canon、VDBT和BVERI）所采用，该名单还在不断扩充中。

**III. 现实**

**A. 当前技术水平**

图2显示了制造商给出的用于科学领域的商用速调管（蓝色点）的效率与微发射度之间的关系。从图中可以看出，大多数这些速调管位于一个经验极限以下，标注为"工业经验极限"。在同一图中，我们用绿色符号标注了近期通过采用第二节B中提到的方法设计以实现更高效率的速调管，这些速调管已经突破了该极限。在某些情况下，如箭头所示，现有速调管经过重新设计以适应相同的操作位置，但效率有所提升，这被称为系统的"改造"。多束流速调管用方形符号表示。

**图2. 用于科学领域的现有商用速调管的效率与微发射度关系图。** 绿色大符号表示高效率速调管。浅绿色表示正在设计或建造中的速调管，其效率值为仿真值。绿色箭头表示从现有速调管到已在运行设施上进行改造的重新设计，通常发射度不变（垂直箭头）。

根据文献[15]，仅由理想电子束的理论考虑给出的效率限制主要取决于输出腔体的渡越时间因子和束团的能散。该理论极限在图中显示为"极限理论极限"。我们认为，将该极限降低5%是一个可以实现且合理的工程结果。

**B. X波段中功率发展**

CERN原用于测试CLIC原型的超高梯度设施部署了峰值功率为6和50 MW的X波段速调管[16–19]。这些设备的最大效率低于45%，更常见的值甚至低于40%。在较低功率单元上，使用的是Canon E37113速调管，其主要规格见表I。该速调管已在CERN被称为Xbox3的设施中运行多年，该设施将两台设备组合起来提供高达45兆瓦的脉冲功率。它成为了一项研发计划的起点，该计划与Canon合作，旨在将原始速调管的效率提高到50%以上。该计划的目标是：一方面将效率提升与设计方案进行基准测试，另一方面实现更高的峰值功率，以在约60兆瓦的CLIC标称条件下测试原型机。

**表I. 用于CERN Xbox设施的Canon X波段速调管：主要规格。**

参数 E37113 E37123 E37117 频率 11.994 GHz 11.994 GHz 11.994 GHz 峰值射频输出功率 6 MW 8 MW 最高达 10 MW 射频脉冲长度 重复频率 阴极电压 155 kV 最高达 175 kV 最高达 175 kV 阴极电流 98 A 115 A 115 A 平均输出功率 12 kW 16 kW 16 kW 增益 48 dB 效率 39% 39% 56% 在与欧洲核子研究组织的合作之初，佳能公司已生产了一款高功率版本的行波管——E37123，该管采用了新型射频窗口和升级的电子枪，可输出 8 MW 的功率，但效率仍为 39%。在此行波管基础上，欧洲核子研究组织设计了一种新的相互作用结构，包括一个二次谐波三腔体和一个三腔输出腔 [20]，通过保留 E37123 的电子枪和输出窗口设计并重新利用原有的螺线管，将效率提高至 56%。佳能公司制造了第一个原型机，即 E37117 S/N 22M001；然而在二极管模式下的初步测试中，该管在约 22.5 GHz 的频率附近出现单频管振荡，阴极电压在 70 至 125 kV 之间时尤为明显。此外，当电压超过 107 kV 时，还表现出由耦合模式引起的不稳定性 [21]。欧洲核子研究组织团队随后的调查和仿真 [22,23] 指出，该问题可通过以下方式解决：(i) 将二次谐波三腔体替换为双腔体；(ii) 改变前三个 bunching 腔的间隙长度；(iii) 在漂移管中添加不锈钢以提高振荡起始电流，使其高于工作束流电流。三项修改均在佳能公司制造的第二个原型机 E37117_CAV_CHG S/N 22G002 中得到实施。该管在佳能工厂的初步测试中，在设计频率下方约 30 MHz 处达到了最高效率（如图 3 所示），但即便在设计频率处，仍具有令人瞩目的 53% 效率。图 3. E37117 S/N 22G002 工厂测试结果。欧洲核子研究组织和佳能公司分析了这一差异的可能原因，发现三腔输出耦合器的第一和第二腔频率低于设计值 [24]。然而，该管仍未经进一步修改便交付给了欧洲核子研究组织。在佳能公司重新组装第一根管 E37117 S/N 22M001 期间，设计和制造问题得到了解决。该管经过翻新，包括对相互作用结构的改进以抑制振荡，随后成功通过测试，直至 170 kV 电压下均未出现不稳定性迹象，效率达到 56%，与仿真预测一致（图 4）。图 4. E37117_TUBE1_MOD, S/N 22M001 工厂测试结果。该管随后交付给欧洲核子研究组织，其性能得到了确认，如图 5 所示 [25]。图 5. E37117_TUBE1_MOD, S/N 22M001 在欧洲核子研究组织和佳能的测试结果。该管在直流功耗与原 E37113 相同的情况下可输出 8 MW 峰值功率，且在电压提升至 175 kV 时可实现最高 10 MW 的输出功率。这一成就不仅彰显了欧洲核子研究组织与工业界合作的成功，也有力地验证了为实现高效率所采用的先进 bunching 技术，以及多年高效率研究所开发的仿真工具和专业经验。C. 用于 HL-LHC 的连续波超高频行波管：动机与约束条件高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）将使用高束流强度质子束运行，每个脉冲最高包含的质子数将较当前 LHC 使用的标准脉冲强度提高一倍。束流强度的增加导致显著的束荷效应，需要更高的射频电压来有效俘获并维持束流稳定性 [26,27]。因此，现有射频系统预计将在其 300 kW 功率容量的极限边缘运行。为满足这些更大需求，现有行波管将升级为高效率型号，在相同的调制器直流输入功率约束下可输出 350 kW 射频功率。2019 年，欧洲核子研究组织与泰雷兹公司建立了合作关系，在加速器科学与技术领域创新推动（I.FAST [28]）项目第 11.2 工作包的框架下，设计和生产 TH2167 行波管的高效率版本。该项目旨在生产一种新技术验证器，通过新的 bunching 技术提高行波管效率，同时满足高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）的需求。项目目标是在现有工作点（58 kV, 9 A）下实现 350 kW 的饱和输出功率，以确保与现有电源的兼容性 [29]。这要求将行波管效率从 60%–62% 提升至约 67%–68%，新设计应能直接替换现有行波管。TH2167HE 和 TH2167 行波管的主要规格见表 II [30,31]。表 II. TH2167 和 TH2167HE 主要规格。TH2167 TH2167HE 频率 400.8 MHz 400.8 MHz 阴极电压 58 kV 58 kV 阴极电流 8.5 A 9 A 调制阳极电压 输出功率（饱和） 300 kW 350 kW 增益 效率 带宽() 群延迟 谐波（二次、三次）1. 设计：高效率 bunching 电路及主要仿真结果技术方案采用了由欧洲核子研究组织使用 KlyC 设计的相互作用结构。按照第 II B 节所述的整体结构方法（CSM），提出了一种紧凑的六腔设计，预测效率为 70%–72%。成本效益通过重新设计相互作用结构来实现，充分利旧关键部件，包括螺线管、空气枪罐、同轴-波导转换器和支撑框架，这些部件均来自退役的 LHC 行波管。新相互作用结构的 KlyC 仿真主要结果如图 6 所示：经过多次迭代后，腔体频率经过优化以满足 LHC 低功率射频系统（LLRF）在带宽和群延迟方面的要求，同时末第二腔的位置和几何形状也经过修改以满足冷却系统约束。图 6. TH2167HE 相互作用结构的 KlyC 仿真主要结果。原始 TH2167 设计与新高效率版本的对比如图 7 所示 [32]：最终结构比 TH2167 短近 200 mm，KlyC 仿真预测在无回流电子的情况下效率为 70.8%，增益为 37.2 dB。这较 TH2167 的效率提高了约 8%。图 7. TH2167 与 TH2167HE 设计对比。泰雷兹公司使用其内部代码 klys2d 也得到了类似结果，预测高效率设计的效率为 67%，原始 TH2167 为 60%。不过，klys2d 预测高效率相互作用结构中存在回流电子。通过 cst 粒子仿真（3D）求解器仿真可更精确地估算新设计的性能 [12,33]。cst 仿真预测效率为 70.85%。虽然观察到少量回流电子（如图 8 所示），但预计不会影响运行，因为大部分会被行波管管体截获，导致管体功率仅为可忽略的 20 W。尽管如此，在设计阶段决定为最后两个螺线管线圈单独配置电源。这允许独立调节电流，在不显著影响整体效率的情况下额外控制回流电子。图 8. TH2167HE 相互作用结构的 cst 仿真。图 9 显示了泰雷兹（klys2d）和欧洲核子研究组织（cst PIC）仿真得到的饱和状态及饱和以下 1 dB 处的带宽。两种仿真代码结果高度一致，且均表明在频带低端行波管增益急剧下降。这一行为归因于谐波腔的影响。尽管如此，最终行波管的带宽仍在 HL-LHC 运行所需的规格范围内。图 9. klys2d（上）和 cst Particle Studio（下）仿真得到的饱和及饱和以下 1 dB 处的带宽。2. 泰雷兹工厂制造与测试泰雷兹工厂的制造工作始于对末两个腔和同轴输出的分组件焊接工艺的成功验证（如图 10 所示），该工艺通过构建测试载体——一个专用原型组件——进行了工艺鉴定，以在生产前验证机械和射频性能。图 10. 组装前的末第二腔和末腔。为解决与腔体定位相关的新机械约束并简化整体设计，谐波腔（第 3 和第 4 腔）和输出腔（第 6 腔）选用了径向调谐系统，取代了泰雷兹在标准行波管构型中通常采用的可移动漂移调整方案。收集器也经过了修改，增加了长度和直径，以相比 TH2167 提供更大的安全裕度。此次重新设计旨在降低功率密度，解决早期 TH2167 型号中遇到的问题，并在效率裕度不足以在 58 kV、9 A 下实现 350 kW 输出的情况下，预留更高束功率的应对能力。为容纳新的相互作用结构，螺线管设计经过微调，重新布置了三个线圈以对齐更新后的腔体位置。如图 11 所示，这些调整未对整体束聚焦产生不利影响。如前所述，最后两个线圈与主螺线管解耦并配置为使用独立电源运行，从而更灵活地控制回流电子。图 11. TH2167HE 新相互作用结构中仿真得到的束输运与扩散。修改后的螺线管连同行波管框架、电子枪罐和输出同轴-波导转换器，均复用了 2022 年从 LHC 退役的 TH2167 S/N 1 的部件。3. 初步测试中的主要问题在泰雷兹工厂进行脉冲模式射频初步测试时，在输出功率低于 100 kW 的水平上观察到输出同轴线温度显著升高，并通过同轴顶部铜的变色得到确认（图 12）。功率和相位传输曲线均出现异常：相位响应呈非单调变化，功率曲线出现微小台阶。此外，在输出功率低于 200 kW 时，射频脉冲也受到畸变影响（图 13）。图 12. 同轴外部铜变色表明过热。图 13. 传输曲线（左）和射频输出脉冲（右）显示输出功率 0–200 kW 区域内的异常。同轴过热及射频测试中的特征指向陶瓷窗口前输出同轴区域的多频效应，经 cst 仿真确认 [34]，如图 14 所示。仿真还表明，施加纵向（平行于同轴轴线）或横向（垂直于同轴方向）的静态磁场可减少二次电子发射。在实施方案方面，优选在同轴外表面安装永磁体施加纵向磁场，如图 15 所示。图 14. 施加静态磁场后发射粒子的减少（cst 仿真）——感谢 F. Peuger 提供。图 15. 在输出同轴上安装磁体以消除多频效应。安装磁体后，行波管表现出平滑且一致的功率和相位输出传输曲线。此外，输出同轴线的过热问题得到了解决，证实了纠正措施的有效性。工厂测试中发现的第二个问题是原型机性能显著下降，特别是效率和增益方面。实测增益比预期低约 3 dB，最大输出功率未超过 300 kW。由于白噪声测量已验证第 1、2 和 5 腔调谐正确，初步假设是二次谐波腔失谐。泰雷兹公司进行的带宽测量并与 KlyC 仿真进行了比较，以确认二次谐波腔可能向高于设计频率方向失谐，如图 16 和图 17 所示。图 16. KlyC 仿真（左）与泰雷兹测量（右）：在 KlyC 模型中，二次谐波腔失谐至 799.2 MHz（设计调谐频率为 797.3 MHz）。图 17. 二次谐波腔调谐系统（膜片）不同设置下的带宽测量及腔壁形变（板间距）。泰雷兹公司使用外部调谐机构校正了腔体频率，观察到行波管性能显著改善。然而，调谐范围不足以达到正确频率；因此，决定稍微松开支撑框架的螺栓，利用行波管自身的重量使腔壁变形（压缩）。

此外，聚焦磁场经过仔细调节，以达到所需的性能，同时避免反射电子（通过观察输出信号的频谱进行检测）。随后的测量结果显示，结果与仿真预测相符，在58 kV和9 A条件下输出功率超过360 kW。对新调谐系统实施在谐波腔上的温度监测表明，在射频测试期间存在显著的热约束。安装在调谐膜片上的热电偶记录到温度超过______，在较低频率下工作时峰值甚至达到______，即使在降低输出功率的情况下也是如此。这种过热被归因于调谐系统设计，其依赖于与主腔体之间热导性较差的接合部。作为临时缓解措施，在样机的谐波腔上增加了额外的风冷，同时为系列生产定义了具有改进热性能的新型调谐系统设计。在泰雷兹完成的出厂验收测试确认，该速调管达到了预期的效率、增益和稳定性，与根据实测腔体频率校正后的KlyC预测结果高度吻合（图19）。主要测试结果见表III。

表III. 出厂验收测试的主要结果。

阴极电压 57.7 kV
调制阳极电压 32 kV
阴极电流 9 A
饱和时输出功率 366 kW
饱和时输入功率 62
增益 37.6
效率 70.4%

4. 在CERN LHC速调管测试台上的安装与测试

TH2167高效样机安装在CERN测试台上，在系列生产前进行了全面验证。图18展示了速调管在其测试配置中的情况，包括施加在谐波腔上的风冷以及用于在运行期间监测谐波腔和输出同轴线温度的额外仪表。

图18. 安装在CERN测试台上的TH2167HE样机。

在上述条件下，经过标准的直流和射频老化处理后，速调管在阴极电压57.3 kV和束流9.05 A的条件下实现了357 kW的饱和输出功率。射频功率测量是在输入和输出线路经过仔细校准后进行的，估计的测量不确定度约为4%。在饱和时，测得效率为68.9%，增益为35.5 dB。在泰雷兹和CERN测得的传输曲线以及仿真曲线显示在图19中。

图19. 在泰雷兹和CERN测得的传输曲线以及使用KlyC（CERN代码）仿真得到的传输曲线，显示69%至70%的效率。在CERN进行的测量显示出略有不同的增益，这可能是由于射频驱动链中的校准差异造成的。

带宽测量用于评估二次谐波腔的调谐情况，并排除运输过程中可能发生的失谐。这些测量因在低于标称频率时谐波腔的显著加热而变得复杂，第三次谐波腔在低于400.4 MHz时接近______，并伴随输出功率缓慢增加，最大可达20 kW，这可能是由温度引起的失谐所致。为了限制热效应，带宽因此以脉冲模式测量，使用2毫秒脉冲、10赫兹重复频率。虽然在脉冲模式下较低频率下观察到增益降低，但在低至398.8 MHz时仍可测量到输出功率的变化。CERN测量结果与在泰雷兹最终腔体和螺线管调谐后进行的测量结果之间的比较显示在图20中，其中泰雷兹数据已按比例缩小2%，以考虑中心频率处的校准差异。虽然无法确定二次谐波腔是否发生了运输引起的失谐，但CERN测得的带宽在低频侧似乎较窄，这是因为泰雷兹的测量是在连续波模式下进行的。

图20. 在泰雷兹（连续波）和CERN（脉冲模式）进行的带宽测量。

在CERN对多个阴极电压等级进行了饱和曲线测量，分为两种工作条件。第一种配置再现了当前的LHC工作模式，即在不改变调制阳极控制百分比的情况下改变阴极电压。第二种配置通过在每个电压下调整调制阳极控制来保持恒定的流注系数，以评估这种方法潜在的效率提升。在这两种情况下，聚焦电流均保持不变（图21）。

图21. 恒定流注系数（虚线）和恒定调制阳极控制（点线）下不同阴极电压等级的效率曲线。

5. 与KlyC仿真代码的对比

在泰雷兹和CERN完成测量后，使用KlyC进行了新一轮仿真，以对标结果并获得交付速调管的最终"数字孪生"。对标分几个步骤进行：（i）基于使用白噪声法测量的腔体频率进行仿真，这在泰雷兹和CERN均进行了测量，可以测量输入腔、二次腔和五次腔的频率：在速调管输出端安装了波导至同轴过渡段，在标称束流电压和电流条件下（无射频输入）使用频谱分析仪观察输出信号。（ii）在仿真中调整谐波腔频率和束流半径，以获得实测带宽与仿真带宽的良好吻合，特别是在低频区域。（iii）测量了从速调管输出法兰到铁氧体负载的输出线路，并在KlyC仿真中引入了相应的失配。对标结果如图22所示，显示仿真与测量之间吻合良好。

图22. 更新后的KlyC仿真与CERN实测带宽的对比。

最后，表IV列出了原始TH2167HE设计与制造速调管之间的腔体调谐差异，最终值通过测量确定并经仿真对标验证。

表IV. 出厂验收测试的主要结果。

腔体 N | 频率偏差（MHz）
腔体1 |
腔体2 |
腔体3（二次谐波） |
腔体4（三次谐波） | 0.5
腔体5 | 3
腔体6 | 0

D. 未来展望

最近，作为开发CLIC中型速调管[35,36]用高效、高功率L波段速调管技术方案的一项尝试，我们重新审视了1963年提出的在单束速调管中使用直流后加速（PA）的想法[37]，并在几年后进行了验证[38]。在其新颖的两级（TS-MBK）配置中，阴极和两级串联连接。高压PA间隙位于指定漂移管的中间，将两级分隔开，使得第二级和收集极连接至地电位。第一级在相对较低的电压下工作，从而枪和聚束电路产生的高流注系数束流，且聚束电路长度可以较短。在第二级中，束流在高压PA间隙中进一步加速，从而降低束流流注系数。在第二级中使用倒数第二个腔体是该方案的一个创新，可以改善聚束质量并有助于提高射频功率产生效率。这种拓扑结构也针对FCC的0.4 GHz、1 MW、连续波多束速调管进行了优化[39]，如图23所示，结果是一种非常紧凑（长3米）的设备。该设计通过简单地在不同电压下工作，在整个FCC要求的功率范围内均能保持高于82%的极高效率[40]，如图24所示。

图23. TS-MB速调管。

图24. 根据仿真，TS-MBK输出的效率和功率。绿色区域代表FCC不同物理阶段所需的射频功率范围。

通常，速调管仅在饱和时才能达到最高效率。然而在实际运行中，由于低层射频（LLRF）调节需要在速调管传输函数的线性区域工作，显著降低了可实现的运行效率。相比之下，在栅极管（如IOT）中，驱动功率的降低会导致从电源汲取的电流相应减少，使得即使在降低的输入功率下，该管仍能保持较高的运行效率。

Tristron[41,42]——其名称反映了其在三极管和速调管之间的混合特性——是一种类似于感应输出管（IOT）的栅极管，但能够将效率从约70%（传统B类工作IOT的典型水平）提高到90%以上。与IOT相比，Tristron在输出腔前增加了一个附加的idler腔体。这显著改善了电子聚束质量，从而提高了整体效率，同时保持B类工作模式，因此允许保持高平均束流。

Tristron的输出射频电路可以与两级（TS）速调管第二级的射频电路几乎相同。由于电子束已经充分饱和且压缩得更好，射频功率转换效率可以进一步提高，对于在足够低流注系数下工作的B类器件，效率值可超过90%。CERN正在研究和优化多束（MB）Tristron，作为____[43]的候选射频功率源。最终设计由十束组成，在400 MHz下工作，在46 kV（流注系数为______）下输出功率为460 kW，在400至500 kW的射频功率范围内表现出优异性能，效率超过90%[44]，如图25所示。

图25. 在cst中仿真的Tristron在不同工作电压下______（左）和粒子动力学快照（右）的功率/效率性能。

______多束Tristron的艺术渲染图显示在图26中。

图26. ______多束Tristron的艺术视图。

IV. 总结与结论

CERN高效速调管计划，历时十有余年，在高效速调管设计的理解和实现方面取得了重大进展。通过持续的研发努力，该计划识别并验证了速调管技术中实现性能提升的关键机制。这些洞察已成功地转化为工作样机，由CERN与工业合作伙伴密切合作开发。这种合作在克服样机开发阶段遇到的众多技术挑战中发挥了关键作用，证明了科学研究与工业专业知识结合的价值。该计划成果不仅代表了射频功率源技术的重大进步，也为未来高效加速器系统的发展奠定了坚实基础。