一种监测回旋行波安全工作的方法

摘要

本发明公开了一种监测回旋行波管安全工作的方法，包括以下步骤：S1、构建基于复杂等离子体形成及演化的回旋行波管模型；S2、设置回旋行波管正常工作时的参数范围；S3、将电子束和外加磁场持续输入到回旋行波管模型中，并判断其工作参数是否在正常工作时的参数范围内，若是，则回旋行波管模型持续输出微波，若否，则进入步骤S4；S4、将电子束和外加磁场暂时停止输入到回旋行波管模型中，直到其工作参数回到正常工作时的参数范围，使回旋行波管模型继续工作，并持续输出微波。本发明针对当前回旋行波管连续工作可靠性不佳的问题，建立了回旋行波管模型，对回旋行波管的连续工作可靠性做出了有效的改进指导。

权利要求

1.一种监测回旋行波管安全工作的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建基于复杂等离子体形成及演化的回旋行波管模型；

S2、设置回旋行波管正常工作时的参数范围；

S3、将电子束和外加磁场持续输入到回旋行波管模型中，并判断其工作参数是否在正常工作时的参数范围内，若是，则回旋行波管模型持续输出微波，直到输出微波达到设定的目标工作参数及时长后，监测结束；若否，则进入步骤S4；

S4、将电子束和外加磁场暂时停止输入到回旋行波管模型中，同时，对回旋行波管进行抽真空和降温处理，在不改变管壁材料的情况下，改善管内的环境，直到其工作参数回到正常工作时的参数范围，使回旋行波管模型继续工作，并持续输出微波；当输出微波达到设定的目标工作参数及时长后，监测结束；

所述步骤S1中，所述回旋行波管模型包括轨迹分析模块、碰撞分析模块、管内气压动态分析模块和电磁场分析模块；

所述轨迹分析模块用于定量给出碰撞前与碰撞后电荷轨迹与速度分布，为碰撞概率分析、气压动态分析与注波互作用提供电荷相空间分布情况，并评估杂散电子对器壁的轰击效应；所述轨迹分析模块与所述碰撞分析模块、气压动态分析模块及电磁场分析模块相耦合；

所述碰撞分析模块用于定量化的给出碰撞发生概率、碰撞位置、碰撞散射后电荷速度与轨迹变化和电离后的新加电荷分布；所述碰撞分析模块分别与所述轨迹分析模块及所述管内气压动态分析模块相耦合；

所述管内气压动态分析模块用于定量分析回旋行波管模型中电荷与残余气体碰撞几率；所述管内气压动态分析模块与所述轨迹分析模块相耦合；

所述电磁场分析模块用于分析碰撞电离后产生的新的空间电荷相空间分布对注波互作用的影响；所述电磁场分析模块与所述碰撞分析模块相耦合。

2.根据权利要求1所述的监测回旋行波管安全工作的方法，其特征在于，所述轨迹分析模块的分析过程具体为：A1、根据发射的电子束、回旋行波管内的电磁场和当前每个电子和电荷的时间步长，并结合碰撞分析模块确定的新电荷的分布，确定每个宏电荷的相空间；

A2、根据该宏电荷在回旋行波管中所处的位置，确定其所受的电磁场力，并根据宏电荷运动方程，得出宏电荷下一个时间步长的速度；

A3、根据宏电荷运动方程，得出下一时间步长位置，并根据其运动轨迹确定杂散电子对回旋行波管器壁的轰击效应；

所述宏电荷运动方程为：

其中， 为带电粒子动量；

t为时间；

e为电荷量；

为电场强度；

为带电粒子运动速度；

为磁感应强度；

所述宏电荷轨迹方程为：

其中，为带电粒子的空间位置矢量。

3.根据权利要求2所述的监测回旋行波管安全工作的方法，其特征在于，所述碰撞分析模块的分析过程具体为：B1、将每个宏电荷的时间步长作为每轮计算所用时间的增量；循环计算宏电荷随时间演进而变化的碰撞概率；

B2、根据轨迹分析模块得出的宏电荷运动速度和所处位置、管内气压动态分析模块得出的气体碰撞截面及气体空间密度，循环计算每个宏电荷随时间演进而变化的碰撞概率pi；

B3、对互作用空间中每个宏粒子生成0～1的随机数qi，并与碰撞概率pi进行比较，若qi>pi，则未发生碰撞，该宏粒子保持原运动状态；

若qi

所述每个宏电荷的碰撞概率pi为：

式中，σ(E0)为气体碰撞截面；

vi为宏电荷运动速度；

Δt为宏电荷发生碰撞前运动的时间长度；

为气体空间密度。

4.根据权利要求3所述的监测回旋行波管安全工作的方法，其特征在于，所述管内气压动态分析模块的分析过程具体为：C1、根据轨迹分析模块得出的宏电荷的轨迹分析结果，确定杂散电子轰击回旋行波管器壁形成的耗散功率分布；

C2、将耗散功率作为热源，确定回旋行波管的局部温升，并测量管壁温度；

C3、根据回旋行波管的局部温升，确定回旋行波管的材料出气率；

C4、根据材料出气率及理想气体状态方程，计算气体空间密度；

理想气体状态方程为：

式中， 为气体气压；

为气体空间密度；

K为玻尔兹曼常数；

T为回旋行波管内温度。

5.根据权利要求4所述的监测回旋行波管安全工作的方法，其特征在于，电磁场分析模块的分析过程具体为：D1、根据轨迹分析模块和碰撞分析模块，确定电离作用后电子注的状态；

所述电子注的状态包括电子注的轨迹和速度分布；

D2、根据电子注的质量和数量变化确定其对注波互作用过程的影响程度；

D3、根据电子注的轨迹与速度分布，结合注波互作用方程，得出碰撞效应对注波互作用的影响。

6.根据权利要求5所述的监测回旋行波管安全工作的方法，其特征在于，所述步骤S2回旋行波管正常工作时的参数范围包括：气体空间密度：大于5Pa；

管壁温度：小于400摄氏度；

管壁单位面积上的耗散功率：小于1KW/cm2。

说明书

一种监测回旋行波安全工作的方法

技术领域

[0001] 本发明属于等离子体分析技术领域，具体涉及一种监测回旋行波管安全工作的方法。

背景技术

[0002] 回旋行波管在高工作和连续波状态下由于材料出气等原因一般难以长时间稳定可靠工作，在连续工作6-7个小时后，器件会进入故障高发期。目前，国际上对限制回旋行波管稳定可靠工作的因素尚未完全清楚，由此导致回旋行波管的工程实用性大幅下降。

[0003] 实验室通过大量高功率实验研究，总结出残余气体碰撞电离是影响器件稳定工作的最重要因素，如图1所示，随着真空度下降，残余气体碰撞电离加剧，器件工作将面临以下问题：工作电流脉内纹波、器件噪底提升、频谱杂散、功率波动、脉冲波形异常、脉冲波形垮塌、击穿打火及输出窗炸裂等。

[0004] 如图2所示，出现以上问题的原因在于：器件为满足毫米波高功率输出，必然工作在小横截面、高电压、大电流环境下以提供有效的互作用高频结构及足够的直流转换功率，其小尺度、高功率、高电压、大电流的工作环境导致器件单位面积功率损耗大、电场强度高、电流密度高。随着损耗功率密度的提升，器件内壁工作温度上升，其中蕴含的深层气体将向外扩散，其表面气体也将脱附，器件内部的残余气体数量增多，真空度下降；器件工作在高压大电流状态，将有大量电子受外加电场加速，并与残余气体碰撞，碰撞后由于电子动能大于残余气体电离能，产生电离；电离后的电子将被外加电场持续加速而出现“雪崩击穿”现象，从而出现大量电离。

[0005] 特别是在过渡段上升磁场形成的“磁镜”作用下，部分横向速度较大的杂散电子会驻留在绝热压缩区进行往复运动，增大残余气体电离几率；还有大量质子与电子回轰阴极、阳极表面造成局部温升表面气体脱附，真空度进一步恶化；电离形成的电子在高频场的作用下还会形成同步辐射，提升器件噪底降低寄生模式起振阈值，造成杂散频谱的出现；若持续电离出现，还会造成器件的击穿“打火”，若器件保护不及时，击穿能量将持续作用在管体输出窗等薄弱环节，造成输出窗损坏。

[0006] 综上所述，工作在高压、大电流下的大功率毫米波器件由于输出功率上升，真空度下降，残余气体电离，从而导致器件性能下降甚至损坏。

[0007] 传统大功率真空器件注波互作用换能分析模型，一直建立在“绝对真空”的假设下，即只考虑发射电子注与电磁波互作用，这一假设在器件工作低于占空比、短脉冲的条件下是合理的，因此广泛应用于性能样管研制阶段，传统的等离子体分析方法的重点在于如何描述碰撞电离这一物理过程，而没有系统考虑在强电磁场作用下，碰撞电离后“杂散”电荷的出现对器件内壁的轰击效应，以及造成的真空度循环恶化的问题，还有碰撞电离后电子注相空间分布的变化对注波互作用的影响。

发明内容

[0008] 针对现有技术中的上述不足，本发明提供的监测回旋行波管安全工作的方法解决了现有技术中，难以确保回旋行波管能够长时间稳定高效工作的问题。

[0009] 为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种监测回旋行波管安全工作的方法，包括以下步骤：

[0010] S1、构建基于复杂等离子体形成及演化的回旋行波管模型；

[0011] S2、设置回旋行波管正常工作时的参数范围；

[0012] S3、将电子束和外加磁场持续输入到回旋行波管模型中，并判断其工作参数是否在正常工作时的参数范围内，若是，则回旋行波管模型持续输出微波，直到输出微波达到设定的目标工作参数及时长后，监测结束；若否，则进入步骤S4；

[0013] S4、将电子束和外加磁场暂时停止输入到回旋行波管模型中，同时，对回旋行波管进行抽真空和降温处理，在不改变管壁材料的情况下，改善管内的环境，直到其工作参数回到正常工作时的参数范围，使回旋行波管模型继续工作，并持续输出微波；当输出微波达到设定的目标工作参数及时长后，监测结束。

[0014] 进一步地，所述步骤S1中，所述回旋行波管模型包括轨迹分析模块、碰撞分析模块、管内气压动态分析模块和电磁场分析模块；

[0015] 所述轨迹分析模块用于定量给出碰撞前与碰撞后电荷轨迹与速度分布，为碰撞概率分析、气压动态分析与注波互作用提供电荷相空间分布情况，并评估杂散电子对器壁的轰击效应；所述轨迹分析模块与所述碰撞分析模块、气压动态分析模块及电磁场分析模块相耦合；

[0016] 所述碰撞分析模块用于定量化的给出碰撞发生概率、碰撞位置、碰撞散射后电荷速度与轨迹变化和电离后的新加电荷分布；所述碰撞分析模块分别与所述轨迹分析模块及所述管内气压动态分析模块相耦合；

[0017] 所述管内气压动态分析模块用于定量分析回旋行波管模型中电荷与残余气体碰撞几率；所述管内气压动态分析模块与所述轨迹分析模块相耦合；

[0018] 所述电磁场分析模块用于分析碰撞电离后产生的新的空间电荷相空间分布对注波互作用的影响；所述电磁场分析模块与所述碰撞分析模块相耦合。

[0019] 进一步地，所述轨迹分析模块的分析过程具体为：

[0020] A1、根据发射的电子束、回旋行波管内的电磁场和当前每个电子和电荷的时间步长，并结合碰撞分析模块确定的新电荷的分布，确定每个宏电荷的相空间；

[0021] A2、根据该宏电荷在回旋行波管中所处的位置，确定其所受的电磁场力，并根据宏电荷运动方程，得出宏电荷下一个时间步长的速度；

[0022] A3、根据宏电荷运动方程，得出下一时间步长位置，并根据其运动轨迹确定杂散电子对回旋行波管器壁的轰击效应；

[0023] 所述宏电荷运动方程为：

[0024]

[0025] 其中，为带电粒子动量；

[0026] t为时间；

[0027] e为电荷量；

[0028] 为电场强度；

[0029] 为带电粒子运动速度；

[0030] 为磁感应强度；

[0031] 所述宏电荷轨迹方程为：

[0032]

[0033] 其中，为带电粒子的空间位置矢量。

[0034] 进一步地，所述碰撞分析模块的分析过程具体为：

[0035] B1、将每个宏电荷的时间步长作为每轮计算所用时间的增量；循环计算宏电荷随时间演进而变化的碰撞概率；

[0036] B2、根据轨迹分析模块得出的宏电荷运动速度和所处位置、管内气压动态分析模块得出的气体碰撞截面及气体空间密度，循环计算每个宏电荷随时间演进而变化的碰撞概率pi；

[0037] B3、对互作用空间中每个宏粒子生成0～1的随机数qi，并与碰撞概率pi进行比较，[0038] 若qi>pi，则未发生碰撞，该宏离子保持原运动状态；

[0039] 若qi

[0040] 所述每个宏电荷的碰撞概率pi为：

[0041]

[0042] 式中，σ(E0)为气体碰撞截面；

[0043] vi为宏电荷运动速度；

[0044] Δt为宏电荷发生碰撞前运动的时间长度；

[0045] 为气体空间密度。

[0046] 进一步地，所述管内气压动态分析模块的分析过程具体为：

[0047] C1、根据轨迹分析模块得出的宏电荷的轨迹分析结果，确定杂散电子轰击回旋行波管器壁形成的耗散功率分布；

[0048] C2、将耗散功率作为热源，确定回旋行波管的局部温升，并测量管壁温度；

[0049] C3、根据回旋行波管的局部温升，确定回旋行波管的材料出气率；

[0050] C4、根据材料出气率及理想气体状态方程，计算气体空间密度；

[0051] 理想气体状态方程为：

[0052]

[0053] 式中， 为气体气压；

[0054] 为气体空间密度；

[0055] K为玻尔兹曼常数；

[0056] T为回旋行波管内温度。

[0057] 进一步地，电磁场分析模块的分析过程具体为：

[0058] D1、根据轨迹分析模块和碰撞分析模块，确定电离作用后电子注的状态；

[0059] 所述电子注的状态包括电子注的轨迹和速度分布；

[0060] D2、根据电子注的质量和数量变化确定其对注波互作用过程的影响程度；

[0061] D3、根据电子注的轨迹与速度分布，结合注波互作用方程，得出碰撞效应对注波互作用的影响。

[0062] 进一步地，所述步骤S2回旋行波管正常工作时的参数范围包括：

[0063] 气体空间密度：大于5Pa；

[0064] 管壁温度：小于400摄氏度；

[0065] 管壁单位面积上的耗散功率：小于1KW/cm2。

[0066] 本发明的有益效果为：本发明提出的监测回旋行波管安全工作的方法，针对当前回旋行波管连续工作可靠性不佳的问题，以复杂等离子体形成的机制为主体，结合气体分析动力学、材料物理学、相对论电子学等学科，建立了回旋行波管模型，对回旋行波管的连续工作可靠性做出了有效的改进指导。

附图说明

[0067] 图1为本发明提供的实施例中回旋行波管残余气体对器件性能的影响示意图。

[0068] 图2为本发明提供的实施例中毫米波大功率工作下的碰撞下的碰撞电离分析示意图。

[0069] 图3为本发明提供的实施例中监测回旋行波管安全工作的方法实现流程图。

[0070] 图4为本发明提供的实施例中碰撞电离后入射电子束运动轨迹与速度变化对比图。

[0071] 图5为本发明提供的实施了中回旋行波管电子枪区真空度对电子束轨迹离散影响对比图。

[0072] 图6为本发明提供的实施了中回旋行波管电子枪区真空度对电子束能量离散影响对比图。

[0073] 图7为本发明提供的实施了中回旋行波管电子枪区真空度对电子束速度离散影响对比图。

[0074] 图8为本发明提供的实施了中回旋行波管电子枪区真空度对电子束电流波动影响对比图。

[0075] 图9为本发明提供的实施例中回旋行波管高频区真空度对互作用的电离影响对比图。

[0076] 图10为本发明提供的实施例中回旋行波管高频区真空度对互作用的能量离散影响对比图。

[0077] 图11为本发明提供的实施例中回旋行波管高频区真空度对互作用的功率影响对比图。

[0078] 图12为本发明提供的实施例中回旋行波管高频区真空度对互作用的频谱杂散影响对比图。

具体实施方式

[0079] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

[0080] 如图3所示，一种监测回旋行波管安全工作的方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0081] S1、构建基于复杂等离子体形成及演化的回旋行波管模型；

[0082] 上述步骤S1中，所述回旋行波管模型包括轨迹分析模块、碰撞分析模块、管内气压动态分析模块和电磁场分析模块；

[0083] 所述轨迹分析模块用于定量给出碰撞前与碰撞后电荷轨迹与速度分布，为碰撞概率分析、气压动态分析与注波互作用提供电荷相空间分布情况，并评估杂散电子对器壁的轰击效应；所述轨迹分析模块与所述碰撞分析模块、气压动态分析模块及电磁场分析模块相耦合；

[0084] 所述碰撞分析模块用于定量化的给出碰撞发生概率、碰撞位置、碰撞散射后电荷速度与轨迹变化和电离后的新加电荷分布；所述碰撞分析模块分别于所述轨迹分析模块及所述管内气压动态分析模块相耦合；

[0085] 所述管内气压动态分析模块用于定量分析回旋行波管模型中电荷与残余气体碰撞几率；所述管内气压动态分析模块与所述轨迹分析模块相耦合；

[0086] 所述电磁场分析模块用于分析碰撞电离后产生的新的空间电荷相空间分布对注波互作用的影响；所述电磁场分析模块与所述碰撞分析模块相耦合。

[0087] 其中，所述轨迹分析模块中，由宏电荷运动方程与轨迹方程作为基础，考虑碰撞电离后空间宏电荷又两部分组成，发射宏电子和电离宏电荷，每一步计算都需要把电离后的宏电荷叠加进下一步计算的轨迹分析模块与电磁场分析模块中，其分析过程具体为：

[0088] A1、根据发射的电子束、回旋行波管内的电磁场和当前每个电子和电荷的时间步长，并结合碰撞分析模块确定的新电荷的分布，确定每个宏电荷的相空间；

[0089] A2、根据该宏电荷在回旋行波管中所处的位置，确定其所受的电磁场力，并根据宏电荷运动方程，得出宏电荷下一个时间步长的速度；

[0090] A3、根据宏电荷运动方程，得出下一时间步长位置，并根据其运动轨迹确定杂散电子对回旋行波管器壁的轰击效应；

[0091] 所述宏电荷运动方程为：

[0092]

[0093] 其中，为带电粒子动量；

[0094] t为时间；

[0095] e为电荷量；

[0096] 为电场强度；

[0097] 为带电粒子运动速度；

[0098] 为磁感应强度；

[0099] 所述宏电荷轨迹方程为：

[0100]

[0101] 其中，为带电粒子的空间位置矢量。

[0102] 上述碰撞分析模块中，首先分析整个互作用空间中的碰撞概率，又其入射宏电荷在互作用空间中的碰撞概率公式确定，由碰撞概率公式可知，气体空间密度越高，碰撞几率越大。在此基础上对空间中每个宏粒子生成0～1之间的随机数，若随机数小于电离概率即发生宏粒子与残余气体的碰撞，且当入射电荷能量大于残余气体电离能时发生电离；若随机数大于碰撞概率则不发生碰撞与电离。当碰撞发生后入射电子会发生散射现象，散射将导致其速度与运动轨迹发生变化，其变化规律满足能量守恒与动量守恒原理。分析过程具体为：

[0103] B1、将每个宏电荷的时间步长作为每轮计算所用时间的增量；循环计算宏电荷随时间演进而变化的碰撞概率；

[0104] B2、根据轨迹分析模块得出的宏电荷运动速度和所处位置、管内气压动态分析模块得出的气体碰撞截面及气体空间密度，循环计算每个宏电荷随时间演进而变化的碰撞概率pi；

[0105] B3、对互作用空间中每个宏粒子生成0～1的随机数qi，并与碰撞概率pi进行比较，[0106] 若qi>pi，则未发生碰撞，该宏离子保持原运动状态；

[0107] 若qi

[0108] 所述每个宏电荷的碰撞概率pi为：

[0109]

[0110] 式中，σ(E0)为气体碰撞截面；

[0111] vi为宏电荷运动速度；

[0112] Δt为宏电荷发生碰撞前运动的时间长度；

[0113] 为气体空间密度。

[0114] 需进一步说明的是，由于碰撞电离出现会改变入射电子轨迹与产生电离电荷，这些电荷的运动轨迹与速度将受到电磁场与碰撞作用的双重影响，其运动轨迹不再是沿固定磁力线的回旋运动，而是由于碰撞散射与随机电离呈现在不同磁力线间“跳变”运动。这类电子被称为“杂散”电荷，其中在电子枪中心电离的正离子会轰击多孔的阴极结构，部分在高频边缘电离的“电子”其沿外侧磁力线轰击到多孔加载陶瓷结构，都会导致这些材料温度上升，出气率随之增加，器件真空度下降，残余气体碰撞电离概率上升。

[0115] 上述管内气压动态分析模块中，由前述分析模块可知，要定量分析电荷与残余气体碰撞几率 必须清楚气体空间密度 而理想气体状态方程： 知，当空间温度一定下，气体空间密度 与气体气压 成正比
关系；其分析过程具体为：

[0116] C1、根据轨迹分析模块得出的宏电荷的轨迹分析结果，确定杂散电子轰击回旋行波管器壁形成的耗散功率分布；

[0117] C2、将耗散功率作为热源，确定回旋行波管的局部温升，并测量管壁温度；

[0118] C3、根据回旋行波管的局部温升，确定回旋行波管的材料出气率；

[0119] C4、根据材料出气率及理想气体状态方程，计算气体空间密度；

[0120] 理想气体状态方程为：

[0121]

[0122] 式中， 为气体气压；

[0123] 为气体空间密度；

[0124] K为玻尔兹曼常数；

[0125] T为回旋行波管内温度。

[0126] 上述电磁场分析模块中，其分析方法可借用“绝对真空”下的注波互作用分析方法，但在注波互作用分析过程中需要叠加电离项的影响，所以求解有源MAXWELL方程时其有源项由两部分组成：1)阴极发射电子注；2)电离电荷。由于电离过程的随机性，其分析过程更加复杂，所以更需对其分析进行层次化分解。其分析过程具体为：

[0127] D1、根据轨迹分析模块和碰撞分析模块，确定电离作用后电子注的状态；其中，电子注的状态包括电子注的轨迹和速度分布；与未碰撞电离状态相比，此时电子束在运动过程中除受到外加静态场作用外，还受到残余气体碰撞与电离的影响，这部分扰动将导致电子注质量与数量变化，质量变化来源于电子注与残余气体碰撞后其轨迹与速度的变化；而电子束的数量变化来源于残余气体电离产生新的电离电荷源。

[0128] D2、根据电子束的质量和数量变化确定其对注波互作用过程的影响程度；当互作用的高频场与外加磁场可比拟时，互作用过程十分复杂，为简化分析，可先假定互作用过程产生的高频场幅值远小于外加磁场幅值(小信号近似)，此时忽略高频场对电子束的调制，只考虑静态场与残余气体碰撞效应，此时根据电子运动与碰撞理论，如图4所示，可以得出电子束运动轨迹与速度分布，根据其分布可知碰撞后由于外加磁场的作用，发射电子束的运动轨迹变化不大，其速度离散增大；且电离电荷出现，其在不同位置电离对应不同的运动轨迹与速度。图4中，(a)、(c)是在10-7Pa的轻度电离情况下得到的，(b)、(d)是在10-6Pa的中度电离情况下得到的；在外加磁场的作用下，由(a)、(b)可知，发射电子束轨迹变化不大，由(c)、(d)可知速度离散增大。

[0129] D3、根据电子注的轨迹与速度分布，结合注波互作用方程，近似得出碰撞效应对注波互作用的影响。

[0130] S2、设置回旋行波管正常工作时的参数范围；

[0131] 上述步骤S2回旋行波管正常工作时的参数范围包括：

[0132] 气体空间密度：大于5Pa；

[0133] 管壁温度：小于400摄氏度；

[0134] 管壁单位面积上的耗散功率：小于1KW/cm2。

[0135] S3、将电子束和外加磁场持续输入到回旋行波管模型中，并判断其工作参数是否在正常工作时的参数范围内，若是，则回旋行波管模型持续输出微波，直到输出微波达到设定的目标工作参数及时长后，监测结束，若否，则进入步骤S4；

[0136] S4、将电子束和外加磁场暂时停止输入到回旋行波管模型中，同时，对回旋行波管进行抽真空和降温处理，在不改变管壁材料的情况下，改善管内的环境，直到其工作参数回到正常工作时的参数范围，使回旋行波管模型继续工作，并持续输出微波；当输出微波达到设定的目标工作参数及时长后，监测结束。

[0137] 在本发明的一个实施例中，在上述电磁场分析模块的分析过程中，需要使用大量的仿真计算来实现对考虑残余气体碰撞电离后器件互作用过程的模拟。此仿真过程能有效串联相应理论分析与实验验证，是整套物理模型的核心，所以需对仿真过程进行深入研究；同时由于仿真过程中涉及器件内壁温度变化与气压动态变化，而这些物理过程的变化周期是时变高频场变化周期的数千倍，所以要完整分析残余气体碰撞电离的互作用过程需进行长时间仿真。下面给出两种分析方法即可进行长时的快速分析，也能进行有限时长下的准确分析，其中快速分析用于对考虑多物理场耦合下的注波互作用进行分析，可以有效揭示外界条件准周期性变化对残余气体碰撞电离及注波互作用的影响；而准确分析方法用于在有限周期内对残余气体碰撞电离及注波互作用进行准确分析，以验证快速分析的准确性。
此两种方法相互结合，有效保障了仿真的精度，又实现了对的多物理场复杂物理过程的有效仿真。

[0138] 方法一(快速分析)：与注波互作用小信号分析类似，首先切断注波耦合，分别对电子注未扰轨迹与高频场冷场激发进行分析，在分析过程中引入残余气体的碰撞，并只考虑碰撞与电离对发射电子和电离电子的影响，忽略电子注的高频场的激发，由于运动过程与碰撞过程只考虑静态场作用，所以其为一稳态过程，可用稳态分布函数描述电子注在空间的分布，碰撞和电离过程一旦达到稳态，所形成的分布函数可作为初始分布函数带入注波互作用方程，分析电离对互作用的影响。

[0139] 不同于PIC分析把每一步时间步长分为碰撞电离和互作用两个阶段，小信号分析把整个互作用过程分为碰撞电离和互作用过程。利用逐次近似的方法，逐渐揭示残余气体电离对互作用的影响。此方法可以有效反应电离过程对互作用影响的物理本质。

[0140] 方法二(精确分析)：直接利用增加了碰撞电离模块的PIC仿真分析模型，通过在“传统”PIC分析方法追加电离模块分析电离对互作用的影响。此分析方法把互作用过程划分为两个区域：区域1注波互作用区，区域2电离碰撞区：在区域1电子注只受电磁场作用，不受残余气体的碰撞作用力；在区域2电子注只受与残余气体碰撞作用力。通过对互作用划分，可以把互作用在每个时间步长划分为电磁互作用过程与碰撞互作用过程。首先根据残余气体气氛与气压，入射电子密度及对应的碰撞截面，判断碰撞概率；再利用此概率在互作用区域随机选取对应的宏电子参与碰撞过程，利用能量与动量守恒及碰撞散射角经验公式对该宏电子的散射过程进行分析，并利用电离模型对残余气体的电离过程进行分析；碰撞后的宏电子与电离电荷与未碰撞的宏电子一起进行基于有限差分的MAXWELL方程求解，进行电子注的调制与高频场的激发分析。此分析过程并未严格区分发射电子与电离电子，而是把它们一起纳入注波互作用求解过程，此分析方法优点在跟实际物理过程更加吻合，缺点在于需要大量的计算时间与资源。

[0141] 在本发明提供的一个实施例中，图5至图12通过定量仿真分析器件的在不同真空度下的电离问题，给出了残余气体电离对器件性能的影响的原因及后果：

[0142] 1)在轻度电离下 下器件只产生少量的电离电荷，其对发射电子注运行及其质量、注波互作用的影响可以忽略不计；

[0143] 2)中度电离 下产生的电离电荷与主电子注密度可比拟，会导致主电子注质量下降，注波互作用效率降低，杂散电荷堆积并推升噪低，寄生模式起振，频谱杂散等问题；

[0144] 3)严重电离 电离电荷密度已大于发射电荷密度，将导致主电子注由于碰撞散射速度离散大幅增大，无法与高频场同步，导致两者无法有效换能，器件无法输出功率，大量杂散电荷集中轰击器件阴极及衰减材料，导致真空度急剧下降，器件击穿打火，无法正常工作。通过建立散射、电离模型，可对不同真空度情况下的不同区域的电离问题进行精确的定量分析。

[0145] 如图5中，(a)为10-7Pa的轻度电离下得到的，(b)为10-6Pa的轻度电离下得到的，(c)为10-5Pa的轻度电离下得到的，由(a)、(b)、(c)可知随着电离程度的增加，轨迹离散增大；

[0146] 如图6中，(a)为10-7Pa的轻度电离下得到的，(b)为10-6Pa的轻度电离下得到的，-5(c)为10 Pa的轻度电离下得到的，由(a)、(b)、(c)可知随着电离程度的增加，能量离散增大；

[0147] 如图7中，(a)为10-7Pa的轻度电离下得到的，(b)为10-6Pa的轻度电离下得到的，(c)为10-5Pa的轻度电离下得到的，由(a)、(b)、(c)可知随着电离程度的增加，速度离散增大；

[0148] 如图8中，(a)为10-7Pa的轻度电离下得到的，(b)为10-6Pa的轻度电离下得到的，(c)为10-5Pa的轻度电离下得到的，由(a)、(b)、(c)可知随着电离程度的增加，电流波动增大；

[0149] 如图9中，(a)为10-7Pa的轻度电离下得到的，(b)为10-6Pa的轻度电离下得到的，(c)为10-5Pa的轻度电离下得到的，由(a)、(b)、(c)可知随着电离程度的增加，电离加剧轨迹混乱；

[0150] 如图10中，(a)为10-7Pa的轻度电离下得到的，(b)为10-6Pa的轻度电离下得到的，(c)为10-5Pa的轻度电离下得到的，由(a)、(b)、(c)可知随着电离程度的增加，能量离散增大，杂散电子吸能；

[0151] 如图11中，(a)为10-7Pa的轻度电离下得到的，(b)为10-6Pa的轻度电离下得到的，(c)为10-5Pa的轻度电离下得到的，由(a)、(b)、(c)可知随着电离程度的增加，功率下降波动加大；

[0152] 如图12中，(a)为10-7Pa的轻度电离下得到的，(b)为10-6Pa的轻度电离下得到的，(c)为10-5Pa的轻度电离下得到的，由(a)、(b)、(c)可知随着电离程度的增加，频谱杂散加剧。

[0153] 本发明的有益效果为：本发明提出的监测回旋行波管安全工作的方法，针对当前回旋行波管连续工作可靠性不佳的问题，以复杂等离子体形成的机制为主题，结合气体分析动力学、材料物理学、相对论电子学等领域，建立了回旋行波管模型，对回旋行波管的连续工作可靠性做出了有效的改进指导。