大回旋電子注

1、12022-3-32 3ECRH回旋管原理圖 ECRH回旋管、陰極、電子槍 48G帶寬GyroTWT峰值500W，40%占空比1.5G帶寬Gyrotwystron峰值55kW，10%占空比5美研制的主動(dòng)拒止武器樣機(jī) 用于主動(dòng)拒止武器系統(tǒng)的回旋管 94GHz，基波，3.6T，超導(dǎo)磁體提供，啟動(dòng)時(shí)間長。6永磁包裝回旋管研究計(jì)劃： 永磁包裝回旋管剖面圖永磁體外形7(1,2,)csl L(1,2,)css L8910大軌道回旋器件：具有永磁包裝前景的毫米波段大軌道回旋器件：具有永磁包裝前景的毫米波段 中等功率振蕩管和放大管。中等功率振蕩管和放大管。 =czzczzkk 潘尼管：（m -1）大軌道回旋管

2、：m11(1,2,)csl L1、日本Fukui University的遠(yuǎn)紅外區(qū)域研究中心諧振腔內(nèi)部較高的歐姆損耗和電子束的質(zhì)量不佳大軌道回旋管結(jié)構(gòu)及永磁系統(tǒng)裝置圖 122、美國UC Davis小回旋行波管:12%131、美國2007年實(shí)驗(yàn)結(jié)果 潘尼管部分零件及實(shí)驗(yàn)裝置圖 142、日本學(xué)者2模潘尼管實(shí)驗(yàn)電子注偏心，輸出損耗152模工作（磁控型結(jié)構(gòu)）潘尼管設(shè)計(jì)參數(shù)（300GHz）16目前的電子光學(xué)系統(tǒng)仍不能完全解決高效實(shí)用大回旋器件的問題。17缺點(diǎn)：磁場是突變的，實(shí)現(xiàn)困難。陰極半徑和電流較為有限，電子注波紋較大。181%,2%,1.8tz192021220202222222011221.zczc

3、Lm ceLPmrerAC v A+e&靜電磁場中，電子運(yùn)動(dòng)的拉格朗日函數(shù)：正則角動(dòng)量守恒：能量守恒： 磁場分布磁場分布22222020224204(1 2 ) ( )2(1 2 )2(1 2 )4 ccczrSrzrSrrrrSr& & &2222201122222201rRRr 大回旋電子注形成示意圖大回旋電子注形成示意圖23(50)zm m雙曲正切磁場f= -tan粒子偏心示意圖1000si n290ccrrRR偏心量：方向：與電子通過會切點(diǎn)時(shí)的回旋半徑約成角24核心：進(jìn)入會切磁場轉(zhuǎn)換點(diǎn)之前的管狀電子注盡可能薄，橫核心：進(jìn)入會切磁場轉(zhuǎn)換點(diǎn)之前的管狀電子注盡

4、可能薄，橫向速度盡可能??；磁場過渡區(qū)盡可能短，變化盡可能陡。向速度盡可能??；磁場過渡區(qū)盡可能短，變化盡可能陡。 傳統(tǒng)方案25要求：要求： 所有條件都是理想的，在互作用區(qū)才可獲得完全理想所有條件都是理想的，在互作用區(qū)才可獲得完全理想的大回旋電子注。的大回旋電子注。困難：困難： 但是實(shí)際上，每一個(gè)環(huán)節(jié)都不可能完全理想。但是實(shí)際上，每一個(gè)環(huán)節(jié)都不可能完全理想。比如：陰極區(qū)輸出的管狀電子束不可能無限薄，也不可能沒有比如：陰極區(qū)輸出的管狀電子束不可能無限薄，也不可能沒有橫向速度；磁場倒向區(qū)不可能無限短，這些因素的疊加必然引橫向速度；磁場倒向區(qū)不可能無限短，這些因素的疊加必然引起引導(dǎo)中心的偏移，導(dǎo)致大回旋

5、電子注的質(zhì)量與設(shè)計(jì)目標(biāo)相差起引導(dǎo)中心的偏移，導(dǎo)致大回旋電子注的質(zhì)量與設(shè)計(jì)目標(biāo)相差很遠(yuǎn)。很遠(yuǎn)。2622201 22200022222012113LgkkkLkgLrrBrBBrrrBe mcB r （ ）（ ）（ ）01 -3（ ）（ ）式并不依賴于磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值由到的具體變化細(xì)節(jié)。這種變化過程可以是突變的，可以是緩變的，也可以是多次倒向的。kBB2200,LkgkrBrBr理想大回旋電子注的必要條件：并非理想并非理想Cusp！27minminminmin22min()()2( )()cccccccrrrrrr f zrr&B&從電子的角向運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)：正比于陰極發(fā)射面的寬度，也

6、就是電子注的初始厚度。 發(fā)射面寬度引起的零散：發(fā)射面寬度引起的零散：盡可能窄的陰極發(fā)射帶，小的陰極半徑，使得盡可能窄的陰極發(fā)射帶，小的陰極半徑，使得電子注足夠薄。電子注足夠薄。但是大電流情況，需要考慮到陰極發(fā)射電流密但是大電流情況，需要考慮到陰極發(fā)射電流密度的限制。度的限制。 位置零散：位置零散：2kr式（ ），正比于電子軌跡出發(fā)點(diǎn)陰極半徑的相對零散。28 初始磁通零散：初始磁通零散：1 22200022 （ ）若不同，則作為整體來考慮，正比于磁通量。kLkgkk kBrrrBBB r將陰極置于倒向點(diǎn)前的軸向磁場幅值漸減區(qū)域，將陰極置于倒向點(diǎn)前的軸向磁場幅值漸減區(qū)域，可以適當(dāng)補(bǔ)償各條軌跡間初始

7、磁通的差異?？梢赃m當(dāng)補(bǔ)償各條軌跡間初始磁通的差異。29偏心引起的速度零散：偏心引起的速度零散：1 222000222 （ ）kLkgggLBrrrBrrr使較大初始磁通的電子對應(yīng)的使較大初始磁通的電子對應(yīng)的rg也較大，就也較大，就可減小各電子橫向速度的差異，從而減小橫可減小各電子橫向速度的差異，從而減小橫向速度零散。向速度零散。30空間電荷效應(yīng)引起的速度零散：空間電荷效應(yīng)引起的速度零散： 其它因素：其它因素：陰極發(fā)射表面的粗糙程度、陰極表面的非均勻場、電子初始速度的熱分布、電極系統(tǒng)和磁系統(tǒng)的軸對稱不良等。 不是相互疊加的！31 大回旋電子注形成機(jī)理大回旋電子注形成機(jī)理111112sincccg

8、Lzzzr zrr在 之前：1czz 變化，電子軌跡與會切平面的交點(diǎn)隨之發(fā)生變化。32111111111111111111:0:,:0:,gLgLgLgLArrrrBrrrrCrrrrDrrrr & 電子軌跡與會切平面交點(diǎn)示意圖電子軌跡與會切平面交點(diǎn)示意圖2121czrrrr&在電子通過 時(shí)，。3311122211212211111122121111221222111121221212gLAgLAAgLgLgLAL AgLgLg ALgLgLB rrBrrBrrrrrrBBrrrrrBBrrrrrrrB&ACOOCOO引導(dǎo)中心由 點(diǎn)向點(diǎn)偏移。同理， 點(diǎn)處電子引導(dǎo)中心由

9、點(diǎn)向點(diǎn)偏移。34221112222122111212222211 2222222221212LgBgLggBBgBBBBL BB rrB rB rrrrB rrr&BDOODOO引導(dǎo)中心由 點(diǎn)向點(diǎn)偏移。同理， 點(diǎn)處電子引導(dǎo)中心由 點(diǎn)向點(diǎn)偏移。35在不同于在不同于A A、B B、C C、D D四點(diǎn)的其它位置處，電子注將以此規(guī)律四點(diǎn)的其它位置處，電子注將以此規(guī)律散布在散布在O O點(diǎn)四周，或上，或下，或左，或右。點(diǎn)四周，或上，或下，或左，或右。在設(shè)計(jì)大回旋電子槍時(shí)，不必要求槍區(qū)電子注為無限薄的平行在設(shè)計(jì)大回旋電子槍時(shí)，不必要求槍區(qū)電子注為無限薄的平行層流電子注，可通過調(diào)節(jié)槍電極系統(tǒng)與磁場系統(tǒng)

10、的相對位置，層流電子注，可通過調(diào)節(jié)槍電極系統(tǒng)與磁場系統(tǒng)的相對位置，就有可能使各種因素引起的速度零散部分抵消，減小橫向及軸就有可能使各種因素引起的速度零散部分抵消，減小橫向及軸向速度零散；同時(shí)通過控制向速度零散；同時(shí)通過控制I I區(qū)電子軌跡與會切平面的交點(diǎn)，區(qū)電子軌跡與會切平面的交點(diǎn)，并調(diào)節(jié)的并調(diào)節(jié)的B B1 1/B/B2 2值來對引導(dǎo)中心偏移進(jìn)行補(bǔ)償。值來對引導(dǎo)中心偏移進(jìn)行補(bǔ)償。36主要任務(wù)：選擇合適的電極形狀和磁場分布，來主要任務(wù)：選擇合適的電極形狀和磁場分布，來 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傳統(tǒng)方案新型方案新型緩變倒向場方案：電子一發(fā)射出來就遇到發(fā)散磁場

11、，放棄電子沿磁力線會聚的理念。 40沿軸磁場分布：小回旋電子注沿軸磁場分布：小回旋電子注沿軸磁場分布：大回旋電子注沿軸磁場分布：大回旋電子注I區(qū)：電子槍區(qū)II區(qū)：過渡區(qū)III區(qū)：互作用區(qū)IV區(qū)：降壓收集極區(qū)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緩變倒向磁場系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸 主磁場為

12、主磁場為0.46T0.46T，反向磁場為反向磁場為-0.016T -0.016T 43緩變倒向場電子槍結(jié)構(gòu)緩變倒向場電子槍結(jié)構(gòu)1 1、槍的陰極是處于發(fā)散磁場中而不是會聚磁場中。、槍的陰極是處于發(fā)散磁場中而不是會聚磁場中。2 2、電子軌跡傾角小于、電子軌跡傾角小于0 0，而磁力線的傾角大于，而磁力線的傾角大于0 0。44相對零散隨各條軌跡初始半徑的變化相對零散隨各條軌跡初始半徑的變化 電子注的橫向速度零散明顯小于陰極半徑零散。偏心的僅為回旋半徑的1.56%，最大也僅為回旋半徑的2.70%。速度零散為3.01%，最大零散約為5%45磁系統(tǒng)平移對電子注性能的影響磁系統(tǒng)平移對電子注性能的影響 電子注各

13、參量對磁場位置相當(dāng)敏感 。改善Bk的軸向均勻性后可以改善。46陰極中心凸起高度對電子注性能的影響陰極中心凸起高度對電子注性能的影響 影響較大影響較大! !原因：該凸起實(shí)際效果相當(dāng)于內(nèi)聚焦極，影響空間電場分布。原因：該凸起實(shí)際效果相當(dāng)于內(nèi)聚焦極，影響空間電場分布。 47電流對電子注性能的影響電流對電子注性能的影響 電子注的偏心和速度零散隨之變大。原因：空間電荷效應(yīng)加大 48電流為電流為2A2A時(shí)電子注軌跡時(shí)電子注軌跡 7.15%4.15%偏心：軸向速度零散：電子注的波動(dòng)和厚度較0.1A時(shí)明顯變大 ！49（1）具有一定厚度的大回旋電子注。電子注角向分布電子注電流密度分布50（2）電場的基本作用是會

14、聚的。電子槍區(qū)等位線分布51525354橫截面和縱向剖面圖橫截面和縱向剖面圖55橫向場、縱向場分布橫向場、縱向場分布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,偏心對器件性能的影響（=0）59:70.2%48.9%:44.22

15、8.9outPkW= 2. 2,gr速度零散對器件性能的影響（= 0）60:34.621.1:54.1%33.2%outPkWz=2. 2,偏心對器件性能的影響（=0. 1）:27.7:44.2%outPkW61626364gBcr,.outP向左平移時(shí)，Bc,.zoutP向右平移時(shí)，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！相對能量分布z=-0.6mm 相對能量分布z=0.6mm :42.4:40.0%outPkW:29.1:31.8%outPkW66相對能量分布z=0mm 輸出功率輸出功率31.9kW 31.9kW ，器件效率，器件效率49.4%49.4%。 6768關(guān)鍵

16、：小回旋電子束運(yùn)行到關(guān)鍵：小回旋電子束運(yùn)行到 離軸最近的點(diǎn)處到達(dá)離軸最近的點(diǎn)處到達(dá)Zc112112111,1 形成條件：gLLgLgLrrrrrBfBfrrzc69陰極發(fā)射帶平行于系統(tǒng)軸線和磁力線；陰極發(fā)射帶平行于系統(tǒng)軸線和磁力線；發(fā)射帶寬發(fā)射帶寬3mm3mm，電流高達(dá)，電流高達(dá)4A4A。70電子注在出口處橫向分布電子注在出口處橫向分布電子注電流密度分布電子注電流密度分布繞軸大回旋運(yùn)動(dòng)，偏心很小。繞軸大回旋運(yùn)動(dòng)，偏心很小。 方 案 可 行！71U1U1，U2U2：調(diào)節(jié)偏心和速度零散。：調(diào)節(jié)偏心和速度零散。U2U2：大范圍調(diào)節(jié)速度比：大范圍調(diào)節(jié)速度比U1U1：微調(diào)速度比：微調(diào)速度比7273B B

17、0 0=0.396T=0.396T， 有有5%5%左右可調(diào)。左右可調(diào)。均勻區(qū)寬度均勻區(qū)寬度40-50mm40-50mm，陰極倒向磁場區(qū)的磁場分布應(yīng)與電子槍匹配。陰極倒向磁場區(qū)的磁場分布應(yīng)與電子槍匹配。三次諧波潘尼管對磁體的要求：三次諧波潘尼管對磁體的要求：74永磁材料：釹鐵硼永磁材料：釹鐵硼尺寸：內(nèi)徑尺寸：內(nèi)徑120mm120mm，外徑，外徑230mm230mm，寬，寬55mm55mm重量：重量：26.6kg26.6kg極靴材料：極靴材料：A3A3鋼，總重為鋼，總重為40kg 40kg 螺旋線包螺旋線包 ：5%5%左右的可調(diào)量。左右的可調(diào)量。整個(gè)磁系統(tǒng)：軸長整個(gè)磁系統(tǒng)：軸長280mm280mm，直徑，直徑300mm300mm?？傊兀嚎傊兀?00kg100kg左右，結(jié)構(gòu)比較緊湊。左右，結(jié)構(gòu)比較緊湊。 75永磁系統(tǒng)沿軸磁場分布 76 軸上部分輸出數(shù)據(jù)均勻區(qū)磁場值約為均勻區(qū)