本研究由俄罗斯科学院西伯利亚分院布德克尔核物理研究所（Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, BINP SB RAS）的A. Levichev、A. Barnyakov、S. Samoylov、D. Nikiforov、V. Ivanov、M. Arsentyeva、D. Chekmenev、O. Pavlov和I. Pivovarov等研究人员共同完成。该研究于2024年7月10日在线发表在期刊《Nuclear Science and Techniques》上。
本研究的主要科学领域为高功率微波器件开发，特别是S波段速调管（klystron）的设计与测试。速调管是一种用于线性加速器（linear accelerator）的关键微波功率放大器，广泛应用于粒子加速器、同步辐射光源等大型科学装置中。
研究的背景是，布德克尔核物理研究所的VEPP-5电子-正电子注入复合体（VEPP-5 injection complex）目前使用的SLAC 5045速调管已运行超过20年，可靠性逐渐下降，亟需替换。此外，俄罗斯正在建设多个新的加速器项目，如西伯利亚环形光子源（Siberian Ring Photon Source, SKIF），这些项目需要高功率脉冲速调管。因此，研究团队决定开发一种工作频率为2856 MHz、脉冲功率为50 MW的新型速调管，以满足现有和未来加速器设施的需求。
本研究分为多个步骤，涵盖了速调管的设计、制造、测试和参数测量。
研究团队基于SLAC 5045速调管的设计参数，开发了一种新型速调管。该速调管由六个谐振腔（resonators）组成，包括激励腔和输出腔。为了便于快速更换关键部件，速调管被设计为模块化结构，阴极组件、聚束系统、收集器和输出真空波导窗口均可独立更换。
阴极单元需要在350 kV的阳极电压下提供高达350 A的电流。研究团队使用VK-100陶瓷（Al2O3 99.7%）作为高压绝缘体，并采用球形表面的扩散型阴极（dispenser-type cathode）。阴极单元通过Poisson-2和UltraSAM两种代码进行模拟，计算结果与实验数据基本一致。
聚束系统由激励腔、四个被动腔和输出腔组成。研究团队使用多种方法（包括解析近似、一维代码和三维粒子模拟代码）对速调管的增益和频带特性进行了计算，结果表明在2856 MHz的工作频率下，速调管的增益至少为50 dB。
收集器用于吸收传输的电子束并减少反射电子的反向运动。其外部设计有散热片，通过外部冷却回路有效散热。
输出窗口采用行波陶瓷波导窗口（traveling-wave waveguide window），能够在高功率下传输微波信号。该窗口由两个输入和输出匹配的谐振腔组成，通过陶瓷介质连接。
速调管的磁场由螺线管产生。研究团队设计了一种与SLAC 5045速调管相似的螺线管，能够产生非均匀磁场。
速调管在测试台上进行了高电压处理和射频信号测试。研究团队通过校准的波导耦合器和探测器测量输出功率，并使用CST Microwave Studio软件对速调管的频带特性进行了模拟和验证。
研究团队成功开发并测试了第一台工作原型速调管，其主要参数如下： - 工作频率：2856 MHz - 输出脉冲功率：50 MW - 输入功率：350 W - 微波脉冲持续时间：1.5 μs - 增益：51.5 dB - 效率：46%
测试结果表明，速调管能够在5 Hz的重复频率下稳定工作，输出功率达到50 MW。尽管在真空水平和测量精度方面存在一些限制，但速调管的性能已满足现有加速器设施的需求。
本研究成功开发了一种新型高功率S波段速调管，为俄罗斯现有的VEPP-5注入复合体及未来的加速器项目提供了关键技术支持。该速调管的设计和制造过程展示了模块化结构的优势，能够显著降低制造成本和时间。尽管在真空处理和测量精度方面仍需改进，但研究结果证明了速调管参数和技术方案的正确性，为后续的批量生产和应用奠定了基础。
研究团队还开发了一种行波陶瓷波导窗口，能够在高功率下传输微波信号，并显著降低了电场强度，从而提高了窗口的可靠性。此外，研究团队对速调管的磁场设计进行了优化，确保了电子束的稳定传输。
总之，本研究为高功率速调管的开发提供了重要的技术参考，并为未来加速器设施的建设奠定了坚实的基础。