行波管周期永磁聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)_圖文

1、研究與設(shè)計(jì)行波管周期永磁聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)蔡竺吟1,呂國(guó)強(qiáng)1,楊蕾1,賀兆昌2(1.合肥工業(yè)大學(xué)儀器儀表學(xué)院,安徽合肥230009;2.安徽華東光電技術(shù)研究所,安徽蕪湖241000Design of Periodic Permanent Magnetic for T raveling2W ave TubesCA I Zhu2yin1,LV Guo2qiang1,YAN G Lei1,HE Zhao2chang2(1.College of Inst rumentation,Hef ei U niversity of Technology,Hef ei230009,China;2.East Photo

2、 Elect ricity Academe of A nhui,W uhu241000,ChinaAbstract:In this paper the basic principles of periodic permanent magnetic of traveling2wave tubes have been introduced.The method of designing a proper magnetic system for TWT by use of an assistant program package based on the principles has also pr

3、esented.With this method we can calculate and simulate the periodic permanent magnetic of a Ku band low power TWTs.The results of design and simulation fit quit well with the experiments,so it can greatly reduce the period of design and adjust for periodic permanent magnetic of TWTs.K ey w ords:Trav

4、eling2wave tube;Periodic permanent magnetic;CAD;Program package摘要:論述了行波管周期永磁聚焦系統(tǒng)的基本原理及在此基礎(chǔ)上利用現(xiàn)有的輔助設(shè)計(jì)軟件包為行波管設(shè)計(jì)合適的磁聚焦系統(tǒng)的方法。利用該設(shè)計(jì)方法計(jì)算與模擬一個(gè)Ku波段小功率行波管的周期磁場(chǎng),得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常一致。這樣就可以大大減少行波管磁聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)整周期。關(guān)鍵詞:行波管;周期永磁聚焦;計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);軟件包中圖分類號(hào):TN124文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1002-8935(200602-0025-03周期永磁聚焦系統(tǒng)具有體積小、重量輕、本身不消耗功率、雜散磁場(chǎng)小、使用方

5、便等優(yōu)點(diǎn),因此廣泛地應(yīng)用于行波管電子注聚焦。周期磁聚焦系統(tǒng)是由一個(gè)個(gè)軸向磁化相斥排列的磁環(huán)和由軟鐵或高導(dǎo)磁材料制成的極靴排列而成,其軸向磁場(chǎng)分布呈周期性變化,對(duì)應(yīng)極靴中心處場(chǎng)強(qiáng)為零,磁環(huán)中心處場(chǎng)強(qiáng)最大或最小。由于聚焦的電子注空間電荷力是在一個(gè)周期內(nèi)平均地得到補(bǔ)償,因此電子注始終存在脈動(dòng),所以周期永磁聚焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是根據(jù)電子注參數(shù)和高頻系統(tǒng)要求合理確定磁系統(tǒng)的材料和結(jié)構(gòu)尺寸,以得到合適的磁場(chǎng)分布,使電子脈動(dòng)最小1,2。通過在輔助設(shè)計(jì)軟件包中建立電子光學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,可以計(jì)算聚焦系統(tǒng)在空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布和電子注的運(yùn)行狀態(tài),研究電子注的聚焦性能和傳輸特性,為聚焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證和優(yōu)

6、化減少系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試時(shí)間和經(jīng)費(fèi)開銷,實(shí)現(xiàn)聚焦系統(tǒng)的“一次成功”奠定良好的基礎(chǔ)。1行波管周期永磁聚焦系統(tǒng)原理聚焦從完全磁屏蔽的陰極射出的電子注所需的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度為:B b=8330r bI04U0式中:B b為布里淵流磁感應(yīng)強(qiáng)度;I0為電子注電流;U0為電子注電壓;r b為電子注半徑。由于高頻散焦和陽極孔效應(yīng)等因素的影響,因此實(shí)際所需的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度為3:B z0=(1.52B b使用線包產(chǎn)生行波管所需磁場(chǎng)的缺點(diǎn)是體積大、功耗高,不利于行波管的小型化設(shè)計(jì),所以周期永磁聚焦以其體積小、重量輕、本身不消耗功率等優(yōu)點(diǎn)廣泛使用于行波管中。周期磁聚焦系統(tǒng)是由一個(gè)個(gè)軸向磁化相斥排列的磁環(huán)和由軟鐵或高導(dǎo)磁材料

7、制成的極靴排列而成。如圖1所示單個(gè)磁環(huán)的磁場(chǎng)軸向分布是脈沖狀的,中間有一個(gè)主峰,兩旁則有兩個(gè)對(duì)稱的反峰。如果把兩個(gè)磁環(huán)重迭放置,合成的VACUUM ELECTRONICS真空電子技術(shù)2006-02µ磁場(chǎng)的軸向分布曲線可以用兩個(gè)單磁環(huán)的磁場(chǎng)分布疊加起來(圖1(a 為單環(huán)不加極靴,(b 為異極相對(duì),(c 為同極相對(duì),(d 為組成的周期場(chǎng),場(chǎng)值提高25%?？梢姰?dāng)異極相對(duì)時(shí),峰值降低;而同極相對(duì)時(shí),峰值增加。在磁環(huán)中間夾一塊純鐵制成的圓形鐵片極靴,它的尺才和磁環(huán)差不多。由于純鐵的導(dǎo)磁率很高,因此,極靴兩邊磁環(huán)產(chǎn)生的磁力線就不會(huì)“頂?！? 而且可以很容易地從共用的極靴當(dāng)中穿過并進(jìn)入磁環(huán)的內(nèi)部空

8、間。這樣,兩塊磁環(huán)就通過極靴緊密地排列在一起了,所以周期磁場(chǎng)的峰值要比單個(gè)磁環(huán)時(shí)大很多。圖1磁環(huán)磁場(chǎng)的分布周期永磁聚焦是周期性地對(duì)電子注加一個(gè)較強(qiáng)的會(huì)聚力。這個(gè)力不僅能抵消空間電荷的發(fā)散力,而且能使電子得到一個(gè)向軸的加速度, 使電子從原來的離軸運(yùn)動(dòng)變成向軸運(yùn)動(dòng)。而在出了這個(gè)區(qū)域后,磁場(chǎng)的會(huì)聚力不足以抵消空間電荷發(fā)散力,電子得到一個(gè)離軸的徑向加速度,它逐漸使電子從強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)得到的向軸加速度度減小,最后變成離軸運(yùn)動(dòng),直到進(jìn)入下一個(gè)周期的強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)為止。圖2周期永磁聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論分析表明:周期永磁聚焦系統(tǒng)的磁場(chǎng)沿軸分布為余弦分布時(shí)最有利。軸向磁場(chǎng)的分布為:B z =B z 0cos (2Z/L ,則邊

9、緣電子軌跡方程為:d 2d Z2+(1+cos 4L Z -2k3-=0式中:B z 0為軸上磁感應(yīng)強(qiáng)度;Z 為沿軸坐標(biāo);L 為周期磁場(chǎng)的周期;=r/r 0,為歸一化電子注半徑;r 0為電子注平均半徑(mm ;r 為電子注半徑(mm ;=2.8×10-6B z 0L 2/U 0,為磁場(chǎng)參量,用于表征磁場(chǎng)強(qiáng)弱;=1.53×103I 0U 3/20L 2r 02=1.53×103P L 2r 02,為空間電荷參量,用于表征電子注空間電荷的強(qiáng)弱;p =3.592×10-2U 3/40/I 1/20,為等離子體波長(zhǎng)。該方程為非奇次馬修方程,它有兩個(gè)特點(diǎn):它不可能

10、有等于常數(shù)的解,即周期永磁聚焦不可能得到完全平滑的電子注,電子注總是脈動(dòng)的,最佳的設(shè)計(jì)就是要在現(xiàn)有的條件下使脈動(dòng)最小;這個(gè)方程在某些值時(shí)存在不穩(wěn)定區(qū),即若磁場(chǎng)峰值、周期、陰極處磁場(chǎng)強(qiáng)度和空間電荷密度選得不當(dāng),會(huì)使電子注不能保持穩(wěn)定,從而使流通變得很壞。為了減小脈動(dòng),應(yīng)盡量減小周期L ,實(shí)際上如果能使p /L >3,則脈動(dòng)已足夠小3,4。2周期磁場(chǎng)設(shè)計(jì)與模擬聚焦系統(tǒng)的優(yōu)劣可以從下面幾個(gè)方面判斷:電流通過率、消耗能量的大小、體積、重量等。陰極電流等于收集極、螺旋線電流和陽極電流之和,在陽極截獲電流為0的情況下,電流通過率為:=I c /(I c +I h ,通常在90%95%以上(I c 為

11、收集極電流,I h 為螺旋線電流5。在已知電子注電流I 0,電子注電壓U 0,電子注半徑r b 后(這些參數(shù)由互作用計(jì)算提供,根據(jù)最小脈動(dòng)條件,初步選擇周期磁場(chǎng)的峰值與周期后,通過輔助設(shè)計(jì)軟件包建立電子飛行通道模型,模擬電子注的聚焦及傳輸情況:該軟件包提供預(yù)處理程序,用于對(duì)電子注飛行通道的形狀及電壓進(jìn)行設(shè)置,并需要設(shè)置周期磁場(chǎng)的參數(shù)包括磁場(chǎng)的類型、開始坐標(biāo)、峰值,周期等。計(jì)算的結(jié)果文件包括數(shù)字文件與圖形文件,可得到飛行通道中的磁場(chǎng)分布、電子注的傳輸狀況。如果聚焦情況不理想,電子注打到飛行通道上,軟件使用電子沉降功率顯示,可以得到電子沉降的坐標(biāo)及功率值,從而計(jì)算出電子注的流通率。同時(shí),由于電子槍

12、的像差、熱速度效應(yīng)、柵網(wǎng)透鏡效應(yīng)等因素的影響,電子注通常是非層流性的,陰極溫度和陽極口發(fā)散效應(yīng)將使電子注進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)具有初始熱速度和橫向擾動(dòng)。考慮到電子槍的這些影響,可在軟件包前處理程序中設(shè)置理想發(fā)射面代替電子槍的電子注,觀察電子注的情況,選定周期磁場(chǎng)的峰值與周期;然后再將電子槍的計(jì)算結(jié)果調(diào)入飛行通道,真空電子技術(shù)VACUUM ELECTRONICSµ2006-02 圖3 電子飛行通道電子沉降功率圖4飛行通道電子注軌跡圖此時(shí)的電子注受熱初速的影響,傳輸情況將有很大改變,如果電子槍和飛行通道的過渡區(qū)設(shè)計(jì)不合理將導(dǎo)致電子沉降嚴(yán)重,流通率明顯下降,所以調(diào)整的重點(diǎn)與難點(diǎn)應(yīng)該放在過渡區(qū)的匹配上。

13、所謂匹配實(shí)質(zhì)上就是要使電子注通過過渡區(qū)后,以合適的半徑與軸平行地注入周期場(chǎng)的最大值處,顯然,過渡區(qū)的磁場(chǎng)分布并不是唯一的,通常是使第一個(gè)峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)整在周期場(chǎng)峰值的50%80%,而電子注腰的位置則在第一個(gè)峰值場(chǎng)的位置稍前一些(靠槍區(qū)一側(cè),如果槍的射程較短時(shí),應(yīng)使磁場(chǎng)的第一個(gè)峰值盡可能靠近陽極。這時(shí)相對(duì)位置即使變化十分之幾毫米,都會(huì)使通過率發(fā)生很大變化3。過渡區(qū)設(shè)計(jì)合理,電子注的脈動(dòng)值就可以保持在最小值。過渡區(qū)的磁場(chǎng)各不相同,可以在飛行通道中可以設(shè)置磁場(chǎng)的表格,精確地設(shè)計(jì)過渡區(qū)的磁場(chǎng)分布。飛行通道確定周期磁場(chǎng)的峰值與周期后(包括過渡區(qū),確定磁系統(tǒng)的幾何尺寸,利用輔助設(shè)計(jì)軟件包中的電子光學(xué)2磁場(chǎng)

14、設(shè)計(jì)部分建立磁聚焦系統(tǒng)的模型,模擬磁場(chǎng)的分布。周期永磁聚焦系統(tǒng)通常使用釤鈷(SmCo 磁鐵材料,因?yàn)獒熲捰来啪哂懈叩拇拍芊e和高的矯頑力,它的磁性能優(yōu)于鋁鎳鈷(Al 2NiCo 永磁、鐵氧體永磁,如SmCo5的最大磁能積 (B H max 大于116×105TA/m ,(是AlNiCo8永磁的3倍、鐵氧體永磁(Y40的8倍,H c 大于516×105A/m ,B r 大于017T ,采用軸向充磁后,其峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)013T 以上6,并且其退磁曲線近似直線,有利于磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)。模擬一個(gè)Ku 波段小功率行波管的周期磁場(chǎng)如圖5所示 。圖5磁系統(tǒng)磁場(chǎng)分布圖3結(jié)論利用現(xiàn)有的輔助設(shè)計(jì)軟

15、件計(jì)算并模擬了一個(gè)Ku 波段小功率行波管的周期永磁聚焦系統(tǒng),計(jì)算與模擬得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相比,B z0誤差一般在10%之內(nèi),可以滿足設(shè)計(jì)的要求,誤差的主要來源是設(shè)計(jì)時(shí)用以計(jì)算的磁性材料的退磁曲線與實(shí)際的退磁曲線不一致及終端效應(yīng),過渡區(qū)、輸入輸出區(qū)域及收集極再聚焦區(qū)域的磁環(huán)還需要在模擬結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加以實(shí)驗(yàn)調(diào)整。這樣就大大減少行波管磁聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)整周期,為實(shí)現(xiàn)行波管磁聚焦系統(tǒng)的“一次成功”奠定良好的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1廖平,行波管電子光學(xué)系統(tǒng)CAD 技術(shù)研究C .博士論文,電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院,2004.2廖平.周期永磁聚焦電子注性能計(jì)算機(jī)模擬J .強(qiáng)激光與粒子束,2004,(1.3電子管設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì).中小功率行波管設(shè)計(jì)手冊(cè)M .1976.4電子管設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì).微波管電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)M .1981.5Michall E Read.Design of a G irded Gun and PPM 2Focus 2ing Structure for a High 2Power Sheet Electron Beam J .