大回旋电子注

1、12022-2-72 3ECRH回旋管原理图 ECRH回旋管、阴极、电子枪 48G带宽GyroTWT峰值500W，40%占空比1.5G带宽Gyrotwystron峰值55kW，10%占空比5美研制的主动拒止武器样机 用于主动拒止武器系统的回旋管 94GHz，基波，3.6T，超导磁体提供，启动时间长。6永磁包装回旋管研究计划： 永磁包装回旋管剖面图永磁体外形7(1,2,)csl L(1,2,)css L8910大轨道回旋器件：具有永磁包装前景的毫米波段大轨道回旋器件：具有永磁包装前景的毫米波段 中等功率振荡管和放大管。中等功率振荡管和放大管。 =czzczzkk 潘尼管：（m -1）大轨道回旋管

2、：m11(1,2,)csl L1、日本Fukui University的远红外区域研究中心谐振腔内部较高的欧姆损耗和电子束的质量不佳大轨道回旋管结构及永磁系统装置图 122、美国UC Davis小回旋行波管:12%131、美国2007年实验结果 潘尼管部分零件及实验装置图 142、日本学者2模潘尼管实验电子注偏心，输出损耗152模工作（磁控型结构）潘尼管设计参数（300GHz）16目前的电子光学系统仍不能完全解决高效实用大回旋器件的问题。17缺点：磁场是突变的，实现困难。阴极半径和电流较为有限，电子注波纹较大。181%,2%,1.8tz192021220202222222011221.zczc

3、Lm ceLPmrerAC v A+e&静电磁场中，电子运动的拉格朗日函数：正则角动量守恒：能量守恒： 磁场分布磁场分布22222020224204(1 2 ) ( )2(1 2 )2(1 2 )4 ccczrSrzrSrrrrSr& & &2222201122222201rRRr 大回旋电子注形成示意图大回旋电子注形成示意图23(50)zm m双曲正切磁场f= -tan粒子偏心示意图1000si n290ccrrRR偏心量：方向：与电子通过会切点时的回旋半径约成角24核心：进入会切磁场转换点之前的管状电子注尽可能薄，横核心：进入会切磁场转换点之前的管状电子注尽

4、可能薄，横向速度尽可能小；磁场过渡区尽可能短，变化尽可能陡。向速度尽可能小；磁场过渡区尽可能短，变化尽可能陡。 传统方案25要求：要求： 所有条件都是理想的，在互作用区才可获得完全理想所有条件都是理想的，在互作用区才可获得完全理想的大回旋电子注。的大回旋电子注。困难：困难： 但是实际上，每一个环节都不可能完全理想。但是实际上，每一个环节都不可能完全理想。比如：阴极区输出的管状电子束不可能无限薄，也不可能没有比如：阴极区输出的管状电子束不可能无限薄，也不可能没有横向速度；磁场倒向区不可能无限短，这些因素的叠加必然引横向速度；磁场倒向区不可能无限短，这些因素的叠加必然引起引导中心的偏移，导致大回旋

5、电子注的质量与设计目标相差起引导中心的偏移，导致大回旋电子注的质量与设计目标相差很远。很远。2622201 22200022222012113LgkkkLkgLrrBrBBrrrBe mcB r （ ）（ ）（ ）01 -3（ ）（ ）式并不依赖于磁感应强度幅值由到的具体变化细节。这种变化过程可以是突变的，可以是缓变的，也可以是多次倒向的。kBB2200,LkgkrBrBr理想大回旋电子注的必要条件：并非理想并非理想Cusp！27minminminmin22min()()2( )()cccccccrrrrrr f zrr&B&从电子的角向运动方程出发：正比于阴极发射面的宽度，也

6、就是电子注的初始厚度。 发射面宽度引起的零散：发射面宽度引起的零散：尽可能窄的阴极发射带，小的阴极半径，使得尽可能窄的阴极发射带，小的阴极半径，使得电子注足够薄。电子注足够薄。但是大电流情况，需要考虑到阴极发射电流密但是大电流情况，需要考虑到阴极发射电流密度的限制。度的限制。 位置零散：位置零散：2kr式（ ），正比于电子轨迹出发点阴极半径的相对零散。28 初始磁通零散：初始磁通零散：1 22200022 （ ）若不同，则作为整体来考虑，正比于磁通量。kLkgkk kBrrrBBB r将阴极置于倒向点前的轴向磁场幅值渐减区域，将阴极置于倒向点前的轴向磁场幅值渐减区域，可以适当补偿各条轨迹间初始

7、磁通的差异。可以适当补偿各条轨迹间初始磁通的差异。29偏心引起的速度零散：偏心引起的速度零散：1 222000222 （ ）kLkgggLBrrrBrrr使较大初始磁通的电子对应的使较大初始磁通的电子对应的rg也较大，就也较大，就可减小各电子横向速度的差异，从而减小横可减小各电子横向速度的差异，从而减小横向速度零散。向速度零散。30空间电荷效应引起的速度零散：空间电荷效应引起的速度零散： 其它因素：其它因素：阴极发射表面的粗糙程度、阴极表面的非均匀场、电子初始速度的热分布、电极系统和磁系统的轴对称不良等。 不是相互叠加的！31 大回旋电子注形成机理大回旋电子注形成机理111112sincccg

8、Lzzzr zrr在 之前：1czz 变化，电子轨迹与会切平面的交点随之发生变化。32111111111111111111:0:,:0:,gLgLgLgLArrrrBrrrrCrrrrDrrrr & 电子轨迹与会切平面交点示意图电子轨迹与会切平面交点示意图2121czrrrr&在电子通过 时，。3311122211212211111122121111221222111121221212gLAgLAAgLgLgLAL AgLgLg ALgLgLB rrBrrBrrrrrrBBrrrrrBBrrrrrrrB&ACOOCOO引导中心由 点向点偏移。同理， 点处电子引导中心由

9、点向点偏移。34221112222122111212222211 2222222221212LgBgLggBBgBBBBL BB rrB rB rrrrB rrr&BDOODOO引导中心由 点向点偏移。同理， 点处电子引导中心由 点向点偏移。35在不同于在不同于A A、B B、C C、D D四点的其它位置处，电子注将以此规律四点的其它位置处，电子注将以此规律散布在散布在O O点四周，或上，或下，或左，或右。点四周，或上，或下，或左，或右。在设计大回旋电子枪时，不必要求枪区电子注为无限薄的平行在设计大回旋电子枪时，不必要求枪区电子注为无限薄的平行层流电子注，可通过调节枪电极系统与磁场系统

10、的相对位置，层流电子注，可通过调节枪电极系统与磁场系统的相对位置，就有可能使各种因素引起的速度零散部分抵消，减小横向及轴就有可能使各种因素引起的速度零散部分抵消，减小横向及轴向速度零散；同时通过控制向速度零散；同时通过控制I I区电子轨迹与会切平面的交点，区电子轨迹与会切平面的交点，并调节的并调节的B B1 1/B/B2 2值来对引导中心偏移进行补偿。值来对引导中心偏移进行补偿。36主要任务：选择合适的电极形状和磁场分布，来主要任务：选择合适的电极形状和磁场分布，来 有效的克服速度零散和偏心。有效的克服速度零散和偏心。373839传统方案新型方案新型缓变倒向场方案：电子一发射出来就遇到发散磁场

11、，放弃电子沿磁力线会聚的理念。 40沿轴磁场分布：小回旋电子注沿轴磁场分布：小回旋电子注沿轴磁场分布：大回旋电子注沿轴磁场分布：大回旋电子注I区：电子枪区II区：过渡区III区：互作用区IV区：降压收集极区21(21)(21)12(2 )(2 )1( 1)( , )(0, )!1 ! 2( 1)( , )(0, )!(1)! 2nnnrznnnnnzznnrdB r zBzn ndzrdB r zBzn ndz411/22gie11/21/222ee111/22e1eg1/,/,/,/NiNNizzizziiNziiNLLigirrNNNNrrNrrrg42缓变倒向磁场系统的结构尺寸 主磁场为

12、主磁场为0.46T0.46T，反向磁场为反向磁场为-0.016T -0.016T 43缓变倒向场电子枪结构缓变倒向场电子枪结构1 1、枪的阴极是处于发散磁场中而不是会聚磁场中。、枪的阴极是处于发散磁场中而不是会聚磁场中。2 2、电子轨迹倾角小于、电子轨迹倾角小于0 0，而磁力线的倾角大于，而磁力线的倾角大于0 0。44相对零散随各条轨迹初始半径的变化相对零散随各条轨迹初始半径的变化 电子注的横向速度零散明显小于阴极半径零散。偏心的仅为回旋半径的1.56%，最大也仅为回旋半径的2.70%。速度零散为3.01%，最大零散约为5%45磁系统平移对电子注性能的影响磁系统平移对电子注性能的影响 电子注各

13、参量对磁场位置相当敏感 。改善Bk的轴向均匀性后可以改善。46阴极中心凸起高度对电子注性能的影响阴极中心凸起高度对电子注性能的影响 影响较大影响较大! !原因：该凸起实际效果相当于内聚焦极，影响空间电场分布。原因：该凸起实际效果相当于内聚焦极，影响空间电场分布。 47电流对电子注性能的影响电流对电子注性能的影响 电子注的偏心和速度零散随之变大。原因：空间电荷效应加大 48电流为电流为2A2A时电子注轨迹时电子注轨迹 7.15%4.15%偏心：轴向速度零散：电子注的波动和厚度较0.1A时明显变大 ！49（1）具有一定厚度的大回旋电子注。电子注角向分布电子注电流密度分布50（2）电场的基本作用是会

14、聚的。电子枪区等位线分布51525354横截面和纵向剖面图横截面和纵向剖面图55横向场、纵向场分布横向场、纵向场分布560102030405060020406080100120f / GHzE / (MV/m/GHz)020406080100101520253035404550z / mmEk / keW0204060800510152025303540t / nsP / kW57速度比的最佳值是速度比的最佳值是2.22.2，并不是越大越好！，并不是越大越好！58:70.2%33.1%:44.220.8outPkWz=2. 2,偏心对器件性能的影响（=0）59:70.2%48.9%:44.22

15、8.9outPkW= 2. 2,gr速度零散对器件性能的影响（= 0）60:34.621.1:54.1%33.2%outPkWz=2. 2,偏心对器件性能的影响（=0. 1）:27.7:44.2%outPkW61626364gBcr,.outP向左平移时，Bc,.zoutP向右平移时，65能量不再集中，器件效率下降！能量不再集中，器件效率下降！相对能量分布z=-0.6mm 相对能量分布z=0.6mm :42.4:40.0%outPkW:29.1:31.8%outPkW66相对能量分布z=0mm 输出功率输出功率31.9kW 31.9kW ，器件效率，器件效率49.4%49.4%。 6768关键

16、：小回旋电子束运行到关键：小回旋电子束运行到 离轴最近的点处到达离轴最近的点处到达Zc112112111,1 形成条件：gLLgLgLrrrrrBfBfrrzc69阴极发射带平行于系统轴线和磁力线；阴极发射带平行于系统轴线和磁力线；发射带宽发射带宽3mm3mm，电流高达，电流高达4A4A。70电子注在出口处横向分布电子注在出口处横向分布电子注电流密度分布电子注电流密度分布绕轴大回旋运动，偏心很小。绕轴大回旋运动，偏心很小。 方 案 可 行！71U1U1，U2U2：调节偏心和速度零散。：调节偏心和速度零散。U2U2：大范围调节速度比：大范围调节速度比U1U1：微调速度比：微调速度比7273B B

17、0 0=0.396T=0.396T， 有有5%5%左右可调。左右可调。均匀区宽度均匀区宽度40-50mm40-50mm，阴极倒向磁场区的磁场分布应与电子枪匹配。阴极倒向磁场区的磁场分布应与电子枪匹配。三次谐波潘尼管对磁体的要求：三次谐波潘尼管对磁体的要求：74永磁材料：钕铁硼永磁材料：钕铁硼尺寸：内径尺寸：内径120mm120mm，外径，外径230mm230mm，宽，宽55mm55mm重量：重量：26.6kg26.6kg极靴材料：极靴材料：A3A3钢，总重为钢，总重为40kg 40kg 螺旋线包螺旋线包 ：5%5%左右的可调量。左右的可调量。整个磁系统：轴长整个磁系统：轴长280mm280mm，直径，直径300mm300mm。总重：总重：100kg100kg左右，结构比较紧凑。左右，结构比较紧凑。 75永磁系统沿轴磁场分布 76 轴上部分输出数据均匀区磁场值约为均匀区