（物理电子学专业论文）回旋管关键技术的研究.pdf

摘要 摘要 虽然现在广泛使用固态半导体器件，但是电真空器件以其在微波、毫米波波 段高功率、高频率等特点，在某些应用领域起着不可替代的作用。回旋管作为电 真空器件家族中一类重要的微波毫米波源，用于可控核聚变反应的电子回旋谐振 加热( e c r h ) 、雷达、工业烧制等方面，具有广阔的军事及民用前景，其研制受 到各国的重视。 本文的工作主要为三部分： 第一部分，根据电子回旋脉塞的动力学理论，对回旋振荡管进行了分析。利 用回旋振荡管的线性理论及等价表面阻抗法，研究了高频率高功率同轴内开槽回 旋振荡管的高频结构；研究了同轴内开槽高频结构的模式选择特性及对模式壁损 耗的抑制作用，为1 7 0 g h z 同轴内开槽回旋管高频结构的研制提供了理论和模拟基 础。 建立1 7 0 g h z 同轴回旋管的三维p i c 模拟模型，通过模拟研究了电子注电流、 电子注横纵速度比和纵向磁场强度等参数对输出功率、效率、模式纯度的影响。 优化后得到了稳定单模兆瓦级功率输出。 第二部分，研究了t e o 。- t e o 时1 ) 波导模式转换器和t e m i - t e l l 波导模式转换器 两类高功率模式转换器。利用耦合波理论，建立了这两类模式转换器数值分析的 模型，编写了效率及带宽计算程序；针对第一种模式转换器，还尝试采用了一种 新型非均匀半径渐变结构。 通过理论分析，数值计算和仿真模拟得出如下结果：( 1 ) 两类t e o n - t e 0 ( n + 1 ) 模式 转换器都能有效地进行模式转换，其中非均匀半径渐变模式转换器具有转换效率 高( 9 9 5 ) ，带宽超过1 5 g h z 。( 2 ) 采用波导轴线蛇形线微扰结构t e 0 1 t e l l 模式转 换器，模拟转换效率达到了9 8 以上，带宽超过2 g ， 第三部分，电子枪提供电子注的性能直接影响到谐振腔中注波互作用的效果。 结合本教研室的科研项目，本文研究设计了双阳极磁控注入枪和大回旋电子枪， 对电子枪的工作原理作了详尽的理论分析；结合p i c 模拟结果，讨论了一系列设 计参数的变化对电子枪主要性能，如电子注横纵速度比、电子注速度零散所造成 的影响，对阳极电压、磁场分布、枪体结构等参数进行优化，p i c 模拟结果显示， 设计的两类电子枪均取得了优良的电子注参数。 摘要 特别的是，针对回旋放大器传统的横向信号输入方式，本文独创性地提出了 采用电子枪阴极同轴信号输入，阳极后过渡段进行模式转换的信号输入方式并对 其进行严格的理论和模拟验证。其间，首先对t e o w t e o ( n + 1 ) 波导模式转换器和 t e m l t e l l 波导模式转换器两类模式转换器进行了研究，设计出符合要求的模式转 换器并与本文所设计的两类电子枪相结合。模拟结果表明这种同轴信号输入的新 型电子枪具有其科学性和实用性，达到了预期的结果。 本文在大量阅读国内外相关文献及本教研室的科研成果的基础上，在导师的 悉心指导下，对同轴内开槽高频结构、波导模式转换器及大小回旋电子枪的设计 做了一些有意义的工作并提出了一些新的思路和方法，具体如下： 1 研究了同轴内丌槽结构谐振腔，详尽地分析了结构参数对谐振腔性能的影 响，如内外半径的比值对模式选择特性的影响，开槽尺寸对减少模式功率损耗的 影响等；针对具体结构进行p i c 模拟，对今后的设计工作及工程实现具有重要的 指导意义。 2 利用耦合波理论，研究了t e o n - t e o ( n + i ) 波导模式转换器和t e m l t e l l 波导模 式转换器两类高功率模式转换器。建立了这两类模式转换器数值分析的模型，编 写了用于效率及带宽计算的程序；针对第一种模式准换器，采用了一种新型非均 匀半径渐变结构，数值分析和软件模拟结果显示，这种结构的转换效率和带宽大 大优于传统结构。以上的波导模式转换器在微波毫米波工程中具有很大的实用价 值。 3 深入研究了双阳极磁控注入枪及大回旋半径电子枪，建立了三维的p i c 模 拟模型，模拟结果为大回旋电子枪的设计提供了参考。 4 新型同轴信号输入电子枪，首次提出了在过渡段添加波导模式转换器的结 构。p i c 模拟结果表明：这种新型电子枪在提供高效信号输入的情况下，取得与常 规电子枪同样优良的电子注参数，为实际制造和加工提供了充足的理论参考和支 持。 关键词：同轴内开槽结构，回旋振荡管，p i c 模拟，波导模式转换，速度比 a b s t r a c t a b s t r a c t a l t h o u g ht h i si sae r ao fs o l i ds t a t es e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，m i c r o w a v et u b e sa r e s t i l le x t e n s i v e l ye m p l o y e di r tc e r t a i na r e a sf o ra p p l i c a t i o n sw h e r et h e i rs o l i d s t a t e c o u n t e r p a r t sa r en o ta b l et oc o m p e t e 懿f a ra sd e l i v e r i n gt h er e q u i r e dh i g hp o w e r a n d h i g hf r e q u e n c y g y r o t r o n s a u sa l li m p o r t a n tp o w e ro fm i c r o w a v et om i l l i - m e t r i c w a v e l e n g t h s ，a r ea p p l i e di ne c r h ，r a d a r , a n dc o m m e r c i a ls i n t e r e d ，a n ds oo n b e c a u s e t h e i rb r o a da p p l i c a t i o n sf o rm i l i t a r ya n dc i v i l ，t h e ya r et o o ks e r i o u s l yb ym a n y c o u n t r i e s t h i sp a p e ri so r g a n i z e d 嬲f o l l o wt h r e ep a r t s ： f i r s t , h i g h f r e q u e n c y , h i g h - p o w e rg y r o t r o no s c i l l a t o r s a r eu n d e rd e v d o p m e n tf o r p l a s m ah e a t i n gi nf u t u r ef u s i o nr e a c t o r s t h em a i nt e c h n o l o g i c a l c o n s t r a i n ti nt h ed e s i g n o fag y r o t r o nc a v i t yi st h et h e r m a lw a l ll o a d i n g , w h i c hm u s t b el i m i t e dt o2 - 3 k w c m z f o rl o n go rc wo p e r a t i o n t or e d u c et h ew a l ll o a d i n gi ti sn e c e s s a r yt oi n c r e a s et h e c a v i t yd i a m e t e r , a n dt h u sh i g h - f r e q u e n c yo p e r a t i o nr e q u i r e st h eu s eo fh i g h o r d e rm o d e s ， b e a mp o s i t i o n i n gd o e s n tp r o v i d eas u f f i c i e n tm e a n sf o rm o d es e l e c t i o na n ds t a b i l i 劬 a n dm o d ec o m p e t i t i o nb e c o m e sas e r i o u sp h y s i c a lc o n s t r a i n t s o ，t h ec o a x i a lc a v i t i e s w i t hc o r r u g a t e di n n e rc o n d u c t o rw a sc h o s e nt os o l v ea b o v ep r o b l e m t h i sp a p e rb a s e do nt h ek i n e t i c so fe l e c t r o nc y c l o t r o nm a s e r , a s s o c i a t e dw i t ht h e l i n e a rt h e o r yo fg y r o t r o n sa n dh o m o g e n e o u si m p e d a n c es u r f a c em e t h o d ，w es t u d yt h e h i g hf r e q u e n c ys t r u c t u r eo fc o a x i a lc a v i t i e sw i t hc o r r u g a t e di n n e rc o n d u c t o rf o rh i g h p o w e rg y r o t r o n sa n di t sc h a r a c t e r so fm o d es e l e c t i v ea n dd e p r e s s i n g t h e r m a lw a l l l o a d i n g b u i l dat h r e ed i m e n s i o np i c ( p a r t i c l ei nc e l l ) m o d e lf o r17 0 g h zc o a x i a lg y r o t r o n w e g o t as t a b l em w p o w e ro u t p u to fs i n g l em o d e s e c o n d ，t h es t u d yo fh i g h p o w e rm o d ec o n v e r t e r sc o n t i n u e st ob e o fg r e a ti n t e r e s t f o ran u m b e ro fm i c r o w a v ea p p l i c a t i o n s ，b e c a u s et h ed e s i r e dm o d e f o rt h ea p p l i c a t i o n s i su s u a l l yd i f f e r e n tf r o mt h eo u t p u tm o d eo fs o u r c e ，a n dt h ec o n v e r t e r sa r en e e d e dt o m a k et h et r a n s f o r m a t i o n b a s e d0 1 1t h ec o u p l e dw a v et h e o r y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g n ，n u m e r i c a l i l l a b s t r a c t a n a l y s i s ，a n ds i m u l a t i o no ft w ot y p e st e 0 n t e 0 ( n + i ) t i p p l e w a l lw a v e g u i d em o d e c o n v e r t e r ：au n i f o r mt i p p l e - w a l lc o n v e r t e ra n dan o n u n i f o r mt i p p l e w a l lw a v e g u i d e c o n v e r t e r f o rt h ef i r s tt y p e ，17 17 g h z ，s i xp e r i o d s ，t e 0 2 t e 0 3m o d ec o n v e r t e ra n d 3 4 3 0 g h z ，s i xp e r i o d s ，t e o l - t e 0 2m o d ec o n v e r t e rw e r eo p e r a t e d ；a n d3 4 3 0 g h z s i x p e r i o d s ，t e o i - t e 0 2f o rt h en o n u n i f o r mo n e t h ee m p h a s i so ft h ed e s i g ns t u d yi st o m a x i m i z et h ec o n v e r te f f i c i e n c ya n dm o d ep u r i t yw i t hab r o a db a n d w i d t h t h e n o n u n i f o r mt i p p l es e e m st oh a v eas i g n i f i c a n ta d v a n t a g eo v e rt h ec o n s t a n tt i p p l ed e s i g n f o rt h em o d ec o n v e r t e r , c o n v e r te f f i c i e n c yr e a c h9 9 5 a tc e n t e rf r e q u e n c ya n dg e ta c o n v e r tb a n d w i d t hm o r et h a n1 5 g h z s t u d yah e l i c a lw a v e g u i d e ( s e r p e n t i n e t y p e ) t e m l 一t e llm o d ec o n v e r t e r d e s i g n ， n u m e r i c a la n a l y s i s ，a n ds i m u l a t ea9 4 g h z ，s i xp e r i o d s ，t e 0 1 t e l lm o d ec o n v e r t e ra n d a n a l y s i s ，s i m u l a t ea1 0 2 4 g h z ，f o u rp e r i o d s ，t e 3 1 - t e l lm o d ec o n v e r t e r t h ee m p h a s i s o ft h ed e s i g ns t u d yi st om a x i m i z et h ec o n v e r t e f f i c i e n c ya n dm o d ep u r i t yw i t ha s u i t a b l eb a n d w i d t h ，t h ec o n v e r te f f i c i e n c yo ft h e s et w od e v i c e sr e a c h9 8 a tc e n t e r f r e q u e n c ya n dg e tag o o dc o n v e r tb a n d w i d t h s i m u l a t i o no ft h e s et w ok i n d sm o d e c o n v e r t e r sa g r e ew e l lw i t t lt h et h e o r e t i c a lr e s u l t s t h i r d ，a st h ek e yp a r to fg y r o t r o n s ，t h eb e a mc h a r a c t e r i s t i c sa f f e c ti n t e r a c t i o n o u t p u tp o w e ra n de f f i c i e n c yd i r e c t l y c o m b i n i n gw i t ht h ep r o s p e c to fo u rl a b o r a t o r y , d e s i g nt h em i ga n dl a r g e - o r b i te l e c t r o ng u n s t u d ys h o w sf i n i s h i n gi n i t i a ld e s i g no fg u n w ec a no p t i m i z et h eb e a mp e r f o r m a n c eb ya d j u s t i n gm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n , g u n g e o m e t r y , c a t h o d em a g n e t i cf i e l d ，m a g n e t i cf i e l dc o m p r e s s i o nr a t i o ，a n o d ev o l t a g e , c a t h o d ee m i t t e rt e m p e r a t u r ea n ds of o r t h e s p e c i a l l y , a n a l y z eq u a l i t a t i v e l yt h ee f f e c tt h a t t h ec a t h o d em a g n e t i cf i e l da n g l ec o n t r i b u t e st ob e a mr a t i oa n d p r o v ei tb yc a l c u l a t i o n e s p e c i a l l yf o rt h et r a n s v e r s es i g n a li n p u tm o d eo fc y c l o t r o na m p l i f i e r , t h i sp a p e r o r i g i n a l l yp o s eam e t h o dw h i c ht h es i g n a li n p u tf r o mt h ec a t h o d ec o a x i a lw a v e g u i d e t h es i m u l a t i o na g r e ew e l lw i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t sb o t hi nt e r m so fe l e c t r o n i cb e a m p a r a m e t e r sa n dq u a l i t yo fi n p u ts i g n a l k e y w o r d ：c o a x i a lc a v i t i e sw i t hc o r r u g a t e di n n e rc o n d u c t o r , g y r o t r o n , p i c ，w a v e g u i d e m o d ec o n v e r t e r s ，v e l o c i t yr a t i o i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：蛋坦业日期： 形芗年 月彤 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：芗h 小幽 导师签名留秀 日期：棚年月 第一章引言 第一章引言 几十年来人类不断地对电磁波进行深入的研究并取得了很多伟大的成果。电 磁能的利用已经深入到能源【l 】、军事【2 】、通信、气象、航空航天、医疗及工农业 生产等各个领域。目前在毫米波及亚毫米波波段的电磁能仍然存在极大的利用空 间，但此波段的传统微波器件在频率和功率方面都受到了严重的限制。研究人员 利用电子回旋脉塞机理( 3 】研制出的一系列电真空器件突破了这种限制，具有广阔 的应用前景。我国于2 0 0 3 年加入国际热核聚变反应堆( i t e r ) 计划【l 儿6 j ，由于使 用1 7 0 g h z 回旋振荡管用于托克马克等离子体的加热，所以对高频率、高功率回 旋振荡管的研究提出了更高的要求。 在回旋管中，首先需要一个符合要求的强流电子注，然后通过高频电磁场和 电子注的相互作用，将电子注的直流功率转换为高频能量。产生电子注的电子枪 是回旋管的重要组成部分之一，它所产生的电子注质量的好坏，直接影响到回旋 管的质量。随着回旋管向高功率和高频率发展，对电子注提出了更高的要求。其 中重要的是，提高电子注导流系数，以便在较低的电压下获得较大的电流，这样 既实现了大的电子注功率，也减轻了回旋管在耐压方面的负担，同时器件的频宽 也将随着导流系数的增大而增加。磁控注入枪可以很好的实现这个性能而得到广 泛研究。此外，近年国内外对大回旋电子枪的研究也极为活跃。 1 117 0 g h z 回旋振荡管的研究现状 i t e r 计划通常所要求的回旋振荡管频率在1 5 0 - 1 7 0 g h z 之间，电子回旋波可 以对等离子体集中加热。对最大吸收值进行径向定位是发射角的重要功能，3 5 度 的发射角可以提供理想的能量吸收和储存。1 7 0 g h z 毫米波进入等离子体的发射 角均在4 0 度以下，同时由于超导磁体的限制，i t e r 计划采用1 7 0 g h z 回旋振荡 管作为其加热源。 i t e r 计划采用总功率为2 4 m w 的回旋管系统用于电子回旋谐振加热 ( e c r h ) 【1 1 、电流驱动( e c c d ) 及抑制等离子体的不稳定性。目前，各国正在 积极开展对1 7 0 g h z 连续波( c w ) 、兆瓦级功率、效率约5 0 的回旋振荡管的研 究，可以满足i t e r 计划的要求。 电子科技大学硕士学位论文 以下是国际上主要研究机构1 7 0 g h z 回旋振荡管的研究现状： 1 日本原子能研究所( j a e a ) 日本原子能研究所主要进行1 m w 回旋管的研究，采用高次模式谐振腔，能 量回收采用降压收集极和合成金刚石窗。近期成功进行了1 0 0 s ，0 5 m w 的准稳态 运行。目前致力于解决更高功率和更长脉冲工作中的三个问题：回旋管的离散辐 射损耗问题；由于电子束品质下降引起的捕获电子增加及脉冲期间束电流下降问 题。 通过对上述问题的研究，改进后的回旋管输出功率达到0 6 m w ，稳态工作时 间达到1 0 0 0 s ，效率高达4 5 。这些结果为i t e r 计划的完成提供了明朗的前景。 2 俄罗斯应用物理研究所等机构 俄罗斯应用物理研究所近期的主要工作是对原有的1 7 0 g h z 1 m w 回旋管的 准光模式转换器进行改进。采用锥形波浪状模壁发射器的新型准光模式转换器替 代原有简单的准光模式转换器，研制出具有更高功率的1 7 0 g h z 回旋振荡管。该 管工作在束电流5 0 6 0 a ，加速电压9 0 1 0 0 k v 的条件下。工作模式为t e 2 8 1 2 ，通 过改进的准光转换器转换为t e m 模式输出，功率提升到1 5 1 7 m w ，稳态输出 功率在1 5 m w 左右。近期的一次测试结果为：束电流5 5 a ，加速电压9 4 k v ，采 用t e 2 8 1 2 模式，稳态工作下可以得到1 4 7 m w 功率和4 2 的总效率，经测量辐射 损耗不超过输出功率的2 。 3 德国f o r c h u n g s z e n t r u mk a r l s r u h e ( f z k ) 1 7 f z k 研究的用于i t e r 计划的1 7 0 g h z ，2 m w ，c w 同轴内开槽回旋振荡管 已经设计、制造并进入测试过程。在对该管进行组装并建成适合的超导系统后， 于2 0 0 7 年初进行工作测试。表1 1 是该管的主要参数： 表1 1f z k 研究的用于i t e r 计划回旋振荡管的参数 f r e q u e n c y g h z 1 7 0 c a v i t ym o d e t e 3 4 ，1 9c o a x i a lc a v i t y p o w e r m wp u l s el e n g t h 2 ，c w ( 3 6 0 0 s ) e l e c t r o n i ce f f i c i e n c y 3 0 e l e c t r i c a le f f i c i e n c y 4 5 m a g n e t r o ni n j e c t i o ng u n d i o d e c u r r e n td e n s i t ya tc a t h o d e a e r n 24 2 e l e c t r o nb e a mr a d i u sa tc a v i t y n l l n1 0 0 b e a mt h i c k n e s sa tc a v i t y n l l n o 2 e l e c t r o nb e a me n e r g y k v 9 0 2 第一章引言 e l e c t r o nb e a mc u r r e n t a7 5 v e l o c i t yr a t i o 1 3 c o l l e c t o rd e p r e s s i o nv o l t a g e k v3 5 c a v i t yh e a tl o a d ( i d e a lc u ) k w c m 2 1 w i n d o wc v dd i a m o n d g a u s s i a no u t p u t 9 6 w a i s to fo u t p u tb e a m r n n l2 0 4 c o l l e c t o rm a g n e t i cf i e l du c f i e l d ( 1c o i l ) 1 2 磁控注入式电子枪工作原理及研究现状 磁控注入枪【8 出】的工作原理：电子枪处于轴对称交叉电磁场中。从阴极面垂 直发射的电子受到磁场的作用，其轨迹发生弯曲，由轴向电场分量和阴极面法向 磁场分量引出枪区，最后在漂移区形成一个环状空心电子注。空心电子注经过过 渡区缓变磁场的绝热压缩，纵向能量向横向能量转化，电流密度增大，电子注半 径减小，最后形成具有一定横纵速度比、速度零散的电子注。 a b ( z ) k 一锥形阴极l f 一前成形极b f 一后成形极 a - 控制阳极d 一主f 日极b ( z ) 一轴上磁：场 图1 - 1 磁控注入枪示意图 磁控注入枪产生的螺旋电子注须满足以下条件： 具有合适的横向速度与纵向速度比。 电子注的速度零散要尽可能的小。由于空间电荷效应、阴极发射位置不同、 磁场分布不均匀、发射面粗糙度不同等原因的影响使得电子的横向速度、纵向速 度具有速度零散。如果速度零散很大，互作用效率将会大大降低。 电子注的厚度合适。 提供足够的输入功率。 我国自7 0 年代起，对电子枪进行了大量研究并获得相应成果。当时比较成熟 的理论是无线电工程系统中“o 型微波器件速调管、行波管等，广泛采用 电子科技大学硕士学位论文 的轴对称收敛型电子枪；对目前回旋管中广泛采用的磁控注入式电子枪也做了一 定的研究，并对一些资料进行了收集和汇编。现在国内对磁控注入枪的研究单位 很少，除了电子科技大学回旋管实验室外，中国科学院电子学研究所也在从事这 方面的研究。小回旋轨道磁控注入枪在1 9 6 4 年由美国的d t s k e r s o n 及j o h n s o n 提 出。1 9 6 6 年s c h r i e r e r 及j o h n s o n 将这种电子枪用于返波管产生回旋电子注。1 9 6 5 年，前苏联的g a p o n o v 首次将其应用于回旋振荡管。但早期的磁控注入枪绝大多 数为绝热枪，在高的空间电荷效应作用下，这种电子枪的性能受较大影响。1 9 7 9 年，前苏联学者首次公布了在回旋管中采用具有层流电子注的磁控注入枪，与此 同时美国的d r y d e n 等人也提出了层流磁控注入电子枪的设计方法，并将这种电子 枪应用于回旋管中。到目前为止，国际上许多科研机构都对单阳极磁控注入枪、 双阳极磁控注入枪、i n v e r t e d 一磁控注入枪( 19 9 6 年，m e r e a de ta 1 ) 及非绝热电子 枪( n a g u n ) ( 1 9 9 5 年，m ae ta 1 ) 等各种枪型进行了深入地研究。大回旋电子枪 如t r i p l e - p o l e p i e c e 轴向大回旋电子枪、c u s p 电子枪等在理论研究方面还有很多问 题有待解决。2 0 0 4 年，美国人w l a w s o n 和h r a g h u n a t h a n 等人公布了1 4 0 g h z ， 工作电压5 0 0 k v ，工作电流5 0 0 a 的回旋管中s c l ( s p a c e 1 i m i t e d ) 磁控注入枪的研 究结果。s c l 磁控注入枪和t l ( t e m p e r a t u r e 1 i m i t e d ) 磁控枪具有相同的应用，在口 = 1 5 ，轴向速度零散小于7 的前提下，s c l m g i 的阴极负载是7 6 a c m 2 ，比 t l m i g 高2 7 ，且t l 。m i g 的峰值电场比s c l m i g 的高7 。与t l m i g 相比， s c l m i g 的阴极负载电流的方位分布更加均衡，这样更容易产生高功率回旋管所 需的高质量的电子注。 1 3 大回旋电子枪工作原理及研究现状 随着回旋管向更高频段发展，在直流磁场的实现方面存了很大困难。如果采 用高次回旋谐波可以成倍的降低工作磁场，这时采用小回旋电子枪的回旋管，工 作效率很低；而采用大回旋电子枪可以大幅度的提高工作效率，因此大回旋电子 枪成为国内外研究工作中的热门。 大回旋电子枪的主要工作原理是旧【1 8 】：使用球形环状的阴极在会聚型p i e r c e 电子枪的结构中产生空心无旋转的电子注，然后电子注通过翻转磁场( c u s p ) 弓l 起电 子注绕中心轴旋转，这样产生的大回旋电子注进入注波互作用区，使电子束在m 次回旋振荡谐波下激励圆极化的t e 波与电磁波交换能量。m 1 9 6 2 年，美国人s c h r n i d t 分析了非相对论电子注在c u s p 磁场中非绝热运动 4 第一章引言 的问题，1 9 6 3 年他和s i n n i s 提出了实验报告。1 9 7 0 年，n d s o n ，k a l n i m s ，k i m 等人报告了利用c u s p 磁场产生大回旋电子注的实验结果。1 9 7 4 年，美国马里兰 大学的r h e e 和d e s t l e n 等人分析了相对论电子注在c u s p 磁场中的运动情况l l 引。 实验室中大回旋电子注最早被观察到是在1 9 7 7 年早期对电子环加速器的研究中。 这些实验室包括美国加利福尼亚州的d u b n a 实验室，西德的g a r c h i n g 实验室，西 德k a r l s r u h e 实验室，和美国m a r y l a n d 大学【2 0 】例，实验的目的是产生足够大电场 下密集的电子环或者电子层来进行离子的加速和诱捕。 m a r y l a n d 大学从1 9 7 7 开始致力于绕轴旋转的电子注的研究，开始了电子环 加速器的计划。m a r y l a n d 大学和l o sa l a m o s 实验室通过注入空心线性电子注并被 刀型场发射阴极加速，然后通过会切( c u s p ) 磁场，产生大回旋电子注，最后被注入 到微波振荡器。 近年，大回旋电子枪在国外的研究比较活跃。2 1 世纪初，美国的m i c h i g a n 大学，j m h o c h m a n 等人利用m e l b a ( m i c h i g a ne l e c t r o nl o n gb e a ma c c e l e r a t o r ) 通过c u s p 磁场，产生了脉冲长度0 5 p s ，电压8 0 k v ，电流1 1 0 a 的大回旋电子 注，该电子注的产生是通过环状的爆炸式阴极发射。在2 0 0 0 年，美国n o r t h r o p g r u m m a n 实验室研制出会切磁( c u s p ) 电子枪( 也叫n o r t h r o pc r r u m m a n 枪) ，该电子 枪具有良好的导流系数，能使电子波动 1 0 。该枪的磁场由比较轻的永久磁体代 替，并且于2 0 0 2 年在n o r t h r o pc _ r l a l m m a n 实验室得到改进，使之在7 0 k v 电压下 产生了8 a 的电流。为了增加会切磁电子枪的性能，在阴极的表面加入一个磁环， 这样可以减小横向速度零散。2 0 0 3 年以后，n o r t h r o pg l a l m m a n 研究所尝试在电子 枪中利用冷阴极场发射阵列取代热阴极，而且该研究所长期的目标是发展一种电 子枪使其可以工作于8 次谐波，在9 4 g h z 频率的回旋管和潘尼管中产生2 5 5 0 k w 的功率，这种电子枪将使用永久磁场聚焦。 日本和俄罗斯在2 0 0 0 年合作利用计算机模拟出一种大回旋电子枪，其最大特 色是利用逐渐变化的翻转磁场代替了突变的翻转磁场，形成大回旋电子注。该枪 采用的是永久磁体，在永久磁体旁边安装了附加线圈，用来调整和优化回旋器件 所需的磁场。电子枪模拟的目标是产生1 5 a 的电子束电流，低于4 0 k v 的电子束 电压，使电子束波动小于l o 。同时日本和韩国共同开发了一种新型的电子枪， 利用3 0 k v ，1 0 a 的皮尔斯电子枪产生直线空心电子注，通过会切磁场产生大回 旋电子注。最高磁场为4 3 8 k g ( 互作用区的磁场) ，并且会切磁场是不对称的， 补偿线圈固定在阴极环形区域，用来控制初期角动量零散。在皮尔斯枪中用不理 想的c u s p 磁场代替理想的会切磁场，适当的调节会切磁场可以提高电子注的质 电子科技大学硕士学位论文 量，特别是可| 以明显减小电子注的波动。这种新型电子枪的轴向速度零敖最小可 达到2 。2 0 0 3 年，日本f u k u i 大学远红外线研究中心开发了短脉冲电子枪。为 了产生较高功率舱电子注，在n a g a o k a 大学技术学院的e x t r e m e l yh i g h - e n e r g y d e n s i t y 研究中心研究开发了一个高电压源，这个电压源可以提供最大加速电压 4 0 0 k v 和最大电子注电流1 4 k a 。 在国内，电子科技大学也在进行了大回旋电子枪的研究并不断取得进步 2 7 - 2 s 。 表l - 2 近期国蠹外大回旋电子枪的发展 年代国家注电压注电速度比轴向速度拉奠半互作用 ( 地区) 砖忒流缓岱 零散嬲径瑚m区磁场7 k g s 1 9 8 9美国5 01 21 8 26 1 9 9 7 美国 7 03 51 275 0 95 4 8 2 0 0 0 日本 3 0 3 81 o1 3 6 2 21 0 2 0 0 0 美国 7 03 52 1 0 6 。4 2 0 0 2 美国7 081 55 2 2 韩国3 01 o226 3 7 54 3 8 2 0 0 4 俄罗斯 4 0 02 7 91 5 58 0 2 4 英国 1 2 08 3l 。1 61 52 。l 2 0 0 6中国 5 42 7 2 o1 1 l6 5 - l 。4 本学位论文的工作与贡献 本论文结合教研室的科研顼臣，对1 7 0 g h z 回旋振荡管的褥轴内开槽谐振腔 进行了深入的研究与设计，详细地分析了这种高频结构的模式选择特性并做了相 应的p i c 模拟；深入研究并设计了睚嘲曩鼬脯瘫蔓导模式转换器和曩k l 。t 基l l 波导 模式转换器，针对t e o n t e o ( n + i ) 波导模式转换器设计了一种改进结构并加以模拟 验证；研究了磁控注入式小回旋电子枪和大回旋电子枪，独创性地提如了一种薪 型电子枪结构并实施模拟验证。本文涉及的工作主要有： 6 第一章引言 1 研究了同轴内开槽结构谐振腔，利用等价表面阻抗法【4 】详尽地分析了结构 参数对谐振腔性能的影响，如内外半径的比值对模式选择特性的影响，开槽尺寸 对减少模式功率损耗的影响等；针对具体结构进行p i c 模拟，对今后的设计工作 及工程实现具有重要的指导意义。 2 研究设计了t e o i i t e 叫n + l 澈导模式转换器和t i k l t e n 波导模式转换器两 类模式转换器。基于耦合波理论【5 】，建立数值分析模型，编写了用于效率及带宽 计算的程序；针对第一种模式准换器，采用了一种新型非均匀半径渐变结构。数 值分析和软件模拟结果显示，该结构转换器的转换效率和带宽大大优于传统结构。 以上的波导模式转换器在微波毫米波工程中具有很大的实用价值。 3 对双阳极磁控注入枪及大回旋电子枪的研究，尤其是对在国内外深受重视 的大回旋枪的研究，建立了三维的p i c 模拟模型，对其模拟结果的观察，为大回 旋枪最终在工程上的实现提供了参照。 4 研究了新型同轴信号输入电子枪，首次提出了这种在过渡段添加波导模式 转换器的结构，p i c 模拟结果表明：这种新型电子枪在提供高效信号输入的情况 下，取得与常规电子枪同样优良的电子注参数，为实际制造和加工提供了充足的 理论参考和支持。 本论文的结构如下： 第一章介绍了用于i t e r 计划等离子体加热的1 7 0 g h z 回旋振荡管的国际 发展现状。介绍了小回旋电子枪和大回旋电子枪的工作原理及发展现状。 第二章利用等价阻抗法对同轴内开槽结构谐振腔的模式选择特性进行理论 研究，分析了谐振腔的壁损耗情况并进行初步的p i c 模拟。 第三章 利用耦合波理论，对t e o n - t e o ( b + d 波导模式转换器和t e m l t e l l 波导 模式转换器进行理论分析、数值计算和仿真模拟。 第四章考察阳极电压、磁场、枪体结构等对磁控注入枪电子束参数的影响 并得出普遍性的结论，对磁控注入式枪及其新型结构进行优化设计和p i c 模拟。 第五章对大回旋电子枪及其新型枪进行理论分析。利用p i c 模拟软件建立 大回旋电子枪的三维模型对其进行优化设计。 第六章结论 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章同轴内开槽结构谐振腔 具有同轴内开槽结构谐振腔的高频结构【8 】【9 1 ，是高功率回旋振荡管有效抑制模 式竞争的手段之一。利用等价表面阻抗法推导出关于模式特征方程、电磁场和壁 损耗的简单公式，建立数学模型，通过数值计算，为结构参数的选取提供参考。 2 1 同轴内开槽结构谐振腔的基本理论分析 高功率回旋振荡管作为核聚变反应加热等离子体的手段之一，对其研究设计 的主要技术限制是壁损耗，连续波工作状态下应该控制在2 3 k w c m 2 。为了减少壁 损耗，可以增加腔体半径，因此为实现高频工作就需采用高阶模式。这时单纯采 用选取合适电子注引导中心半径的方法已不能有效抑制模式竞争。所以提出了同 轴结构谐振腔用以降低模式密度，增强器件单模工作的稳定性。 在同轴腔中，足，足分别表示谐振腔外导体内半径和内导体半径，变量 c = r r , 。如果外径或者内径沿z 轴渐变，模式砜，的特征根，将不再是常数 而是随c 变化。因此与屁。关系紧密的绕射品质因数也将随c 变化。高功率回 旋振荡管中，品质因数q 主要由决定。当d z m , , d z 为正时，正向波向着截止频 率疋提高的方向传播，因此其能速下降，保持了更多能量于谐振腔内，所以矿得 到显著提升。 例如，当内导体半径渐小时，d c d z 为正，对于c ，不同模式的特征值具有 不同的变化趋势，可以在不改变工作模式品质因数的前提