大回旋电子束双磁会切电子枪的设计
! 第"#卷 ! 第$ 期 !*++,年 月$
强
光激
粒与
子
束
-/-. 1204 35673 46) 0649.:58 336;7
%
’(& "# , )&( $! =>
文编号章: !"+"?@+$**( *++, ) +?$@A$?++
@
大回旋电束子双会切磁电子的枪设
*计邹 峰!, ,"! 薛 谦忠 ",! 刘濮鲲 "
!
"(! 中国科学 院子电学究所研,京北" ++B++; !* 中国!学院科研究 生,北京 院+++$"# )
! ! 摘!
要: ! 分 析了 = 波段C次二谐波旋行回波双管会切电子枪磁理的论模, 型计了电算枪的设子计数参 采;用 3/)D软件进模拟行设计,出产了生回旋大电子的束磁双切电会枪。子 枪该电为,压 +E% ,流为$电 $F(6 , 电 子横束速度比纵 为( A" , *度零速为 散@ *(G。 出了电子给束速比度 、速零散度沿线轴的布, 分而进论了阳讨 极压电电对束子能性的影, 结响表果明选择当的适极阳压和阴极电磁对得到场好的子电参束量作明用。显 ! 关键!:词! 高功率微波; !大旋回电束子 ;! 磁双会; 切 !电枪; 子! 回旋管波行放大器 ! 管 中!分类号图: !9)"*#! ! ! ! 献文标识码 :!6
! 回旋!波行管放大是器种高一率功 、带宽宽米波真空器件,毫 大功在毫率波雷米达方等具有广阔面的用应 景。高频率回旋前器件要需工作磁高, 因场必此采须用次谐高工作波来低对降磁场的求。要而然,小回 旋子电 束与高谐波次互作用的到受模竞争的式重严响, 其互影用作率效较。大回低电子旋束在圆导波中能仅发激角方向指 等于回数旋谐波的那些模数式 ,与小回电旋束相子, 增强比了式模选,择 抑制模式竞了,争 而从高了互提
作[" ?@ ]用 率。目效前 ,外已国有单对会磁和双切磁切会生产大旋回子电理论束实验和研究 。单磁会的切不有效
能
偿补子束径向电度及有限速磁会变切宽换度带所来影的, 响提了高磁对的场计设求要。双会磁场切可以通 两磁过切的结会合用作电于束, 子电子使在束达到第二会磁切时向径度为零,速减小束 纹波并流低降对了磁单会切的设计 求要 增,了加子枪的电可度控可和性行 。! !本文将采双用会切磁来得场大到旋回轨道电束子首。分析先场对电子束作的, 然后利用电子轨用迹拟模程序 3 /) D拟设计了模支一用于新型回旋管适器的件速度比、 高速低零度散双的会磁电子枪,切最 后对拟 模结果行进分析了和讨论。
" 双磁会#切子枪电理的论模
型!! 双磁切电会子的结构枪及位磁形轴向沿的分布如图" 所,示 子电从极阴发射发射带出来, 由电加速运动场 磁至切会区, 向轴磁 !场 "的变跳入引一较个的径强向磁分量场! # ,电子 受束到仑洛力兹 "$ H! # 作用产生角的向运动, 经 第二过会磁后作切回旋运大,动 后
最经过热绝缩压场, 磁电子束参调量到设节值计。
[F ]在柱坐标 下可系表示为以 ! !对称在的静场电和磁静中场, 相对电论子动的运格拉朗方程 日** * "**- . # %&’ + )(( "’ $ +*) ) + ! , ’,"#
")(
-
电为所子位置的角处频率; 为#电子径向的置位;, 为电电子量 .; 为电子#所处式 : 中+(为 电的子静质量止 ; "** * * "K * - J# "- )。 - J 位置"的轴向场的磁矢位量 (# ! 为标;量磁位电。子过电经场加速后速度 + I$
MNL( !" OP7QR=SO &MTU V&’WQOV?YXNVZ X SVO>VSQ> ( ==ZU) SQ PUXM>SWVMM&ZS&T =[M= ’=RZQSNMO MQT’U W) (图" !双磁会切电 枪的结子构( =) 轴向磁场分布 及 W()
*+
A++#??""; ! ! 订日期修:* ++,?"+?"F! 稿日期收:基 金项目: 国家自科学基金资然课题 助( +F,A"$# + ); 家杰国青年科出学基资助项目 金 A(+*"F"+@) 作 简介: 者邹 峰 !(" B# $) — 男,,硕 士究生,研主要从 大事功微率波毫波米件的器究研工作;> &EOTZQN+**\+"*A( O& 。
R*
.*
强
激
光
与
粒
子
第 束J 卷
#!
!如果 角向磁矢量位角与坐向 标!无 关 则电,的角子向磁矩力零为,电子束 足正则满角量守恒的条动。在件# $) 。从 可知而,角 动向为量 !! " "# (该向对称角中,场 存近在似系关 $ : #$$ !’% ! &(& # [ ) "& "( ]& ,$() %" ! *+$ $) $ ! "(,为电子 角速向; 度 ,常数为。( " -( #.#)% , 电子的为旋频回;率* ! " "" 式中:" &$ )$$ )$! !由正角则动守量恒出, 可发以依次得到电经过第子、一 二第切会场后的磁向速角度 *" 、引导 心半径 " ’ 及中 拉莫半径尔 " ( 。过经二会切磁场第后的电束参量子# *" & ( /# + /$) ))(" & %# $" # *"’ &$" +"& (/ #0/$ ) " #*)($ " & # " % &( ( /#+ $/) " #( + ) 为对应$磁于 #% 的场子回旋频电; /#率 , /$表示了磁 会切后前磁场比的例系;关" 为#子电 式中:在" & " -#%% .#) % , 极阴及处第一磁切处的径向会置。 !位! 由式 (*) 可看以出,要 得到大回轨旋道子电,束 需令 只/ #", /$ 可即 ,。由 热压缩理 绝!! 电经子过热压绝缩区,绝 压热缩场从磁 %#缓 变慢化到/ -( # / %- 为绝压热缩磁场比因子例) 论电知磁子矩保不持及电子束环变绕通保磁持不,变可以得 最到电终束子向角度和引导速中心径半别分为" ’$ / 0 #$/"& # *(" "%) &( / # /$ ) + .# "$#, ! ’"& #. $ &(. .)$ "# $ //$ # /!! 电子 速度比束 #为+# $ $ / ($/ + /$ ) " & # *" * " - ##. &$ [ ]() /$ & $$# $+ # $$ $ * + * /*+ ( / /+ ) % " " ! % & "# $* - #由此可 以看, 电出子的速度比由会束磁场切的例因比 /#子 /和 $,绝热压缩磁场比例因 子 - 及电子/在第磁会一 为双这磁切电会
子枪横纵度比速调的节提供了很大自的由度 切。的径时向置位 "# 同共定决,
! "磁会切双子枪电的数值拟与模分
! 析!依 据上以双会磁切电枪的子论理模,型利 用电轨子迹拟程模 序103 2双磁对切会电枪子进数值行模计拟算。 时同据根模结拟果一对影些响大回旋电束性能的子数进行参分和讨析。论 !4 "#双 磁会切子枪的数电模拟值! ! 图 $ 出给了在不互作同用场磁下 在径向,置 "位 "# -& 处速度与阴极磁场比互关系相理论计算结的果,阳 极电压取 /% 56 。式 由(/)可 以出看 在一定的,作互磁场用下 ,着阴随磁极的增场, 加该分子式增加项, 同时分 相母应减小 从,而子电的束度比速随着也加增 但;当阴极场磁加增到定一,值电 运子向心力动洛与兹力仑失去平衡, 子电束最发终反射生。一般求速要比度 #在 上,以阴极 场可以设磁定 %4在 %. 7 %左。右
8
’9 4$! ;=;&=;?@ A; @B=9D C;D?&EA9 GFCA? 9= A?B;&C BA?;>-C’=;A & 9@;9>D@? ECGG?H9I =9AG;&C9A; -C’=;AE& 99;@> 图D !$ 不互作同用磁场下度比速随极阴磁的场变化系
关8
9’ 4)!:;;==&; @? B; @A=C9DE D;&?9A FCA9G?? =A; BCAB?&; G>C>HI 9@?GE G9?HCI =A;G9CA&E9 ;-’=;AC& @9;9>D图 )! 不同互 作磁场用速下度随比阴极半的变径化系关
第" 期
邹!
峰等:大旋电回束双子会磁电切子枪设计
的F(
)!
!图 " 为不同互作 磁用场速下比随度阴极半径变的化系关 ,阳极电仍压取#$ % &,阴极 场磁 为’$ $$( *。) 可以出看 当,阴极半超过径一范围定 ,极周阴围场发电变生化 ,子电束速度急比剧增。应加择阴极半选在电子径 束的性增长线部,分 里这选阴取极半为径+$ ,, 即 。根据电可子设枪计求及理要计算的电子论枪数如参表+ 示所。
表" 电!子的束性能求要和算计参数 #%&’$! " (’&*+),- ’%$ /.’0,+.$+-)’ ’1+2+’.’-*43 -5$ ,.)2*/$*,-$3 /$&+.$*’’4+
-
/. ,0.231,1/4. 156781.,..94:0 1//,.91 .3>9/?= . @& %571.149 @A @ A・5, B C ) !5 ( > =.5893E /1983, /?4.85 289.=/=7.# "’$ ) D+ +’$) $’ G
5#9/3;./= .7+$ + $’ CF #G $’’$$ (
) !!将上述电子枪参数及 工磁场加入作HI KJ 软进件行拟,模不断调整优化 ,得到 了虑考间电荷空应效的 双磁会切电后子的枪状形和电轨迹子,如 图F 示所。 ! !表 C是 电子迹收敛时得轨的电子束到具的体量参 ,可看出,以该 磁双会电切子枪产生的子电束基本已符 合整对电管束子质量要求的。
表6" 磁双会切子枪电电子的参束 量#$%’& 6"7’$. /+$$.*’+4 ,’0 8’*5 2%,’ )2&4/92-
01//,.91. /4 . @& @ A%・ ,5 5!(
BC
>=/7.#$ ) "’ " )+ ’C( ’FC ’$G+ O
?’ 8!FH =5.9143 -/,.9 1P./5319 E F图! 电束轨子
迹)
-.
/ ,711
5
.49 A @24/8=>. =3598E 1/89328 /=4/L 8=/ .>=359E 8:0./1
,
6’ 6" 值数模结拟果析 ! 分 !稳的定子电束的度比及速度速散零轴沿的分布如图线 ) 示所由。图以可看出, 第在二会切场磁有处明显的速度比 数值跳变 ,与这论分理析中会切产生较强的径磁磁向场电子使引入束向运动相符角。电子经束过 热压缩区到达绝稳的互定作磁用场区,速 度也缓比地慢增而加达稳到定, 值与绝热论理相。速符度散的分布在 零入绝热压进之缩前较比缓平,到达绝 热压后缩始有较开大幅度的上升 这是,电子束由横能向量不增加导断致的。 由变化趋势该以看可, 如果出求的速要比度相对小一些, 可以得到更速低度零散的电子束, 在相同度比速 条下件 ,该有枪于提利高整管工作效率。
的O8?’
) !8:Q9817-893432 >=358.E 19983 /48.35=9E 80:.1
8O?’ ! &(/8/9138 342 .=3>58E91 /839/ 8.=3895 E:1.0/.3=/?.9图 (! 阳电压极对电子束速度比和速度散零影的
!响! 图( 给出阳极了电压对子电的速度束比和度零散的速响。从影中图以可出看,阳 极压电 在# $% &左电 右子速束度比基保本稳定,持当电压 再续继加增速度时有比量增少, 然加后到稳定;达 当压电下,降 于低(( & 时%
%/
%强
激
光
与
粒
子
束
第
,Q卷
速度 比剧急加, 增主这是要由电束子纵向量减能而导致的小。度零散在 速!"# $左右持保较水低,平在 %&#$ 时 速度散最零小, 其而电他压速度零下较散大,但在 %& $ #电时子束电流太低,不 能充分足满整的管功要率求 ,因此有选择 没% #&$ 选而 择!" #$作为工 电压作电。束的纵子能量由阳向极电决定压 不,同量的电子在相能同 的阴极场下运磁动一致不导致速度散的增加零设。计应综中合虑阳考极压和电阴磁极的场响,影 使以电 子速束零散度最。小
!"
结 "论
’ 本’文细详分析双磁会切了子枪的理电模论型 ,用电子轨采迹拟软模 (件)* 设+计速了比为 度,-%. 、 速 度零为 /-散. 0大的旋回电束双磁会子切电枪。该枪工作电子压为 "!#$ 电,为流 1- 1 2&,适 于 3用 波段二次谐4波回 旋行波。管 考文参:
献,[] ’ 568 97), 4;#: ?,@6 4BA -84B2C;DD7 4FED;68HGIHB;8J;6B HAI768 6K4 LD;8J 4>D ;8B6JHGDM >LJ48A;H E;66BN[ 5 ]- !"# !"$%" ’()& .,".", #$ :&/ /G"/"&[!] . ’67859 ),4:;#6A, 4- BF(MI;>66A48 OBI6E;H4;;A7 78E BPG76B7O;AHC MDI4N6 F;4GD86;IHB;HJ8 B66AI7H8K 6>4[ 5 ] -$" "%& ’)( *+,,,." "/, %#( , , ) ,:QQG/Q,%Q1[]’ 4)B4JR6BI? 2:,4ID48A; S9,HEL4; I,6T AB-4 @;RJMG7P6 ILDM HL8 JE7IR I478>H JCI7;G6N;H6 4MOMBH4;;A78D 5] - -.[. /01#).
1
2,3#) 44# &%15)1 23+#6+, 2.""" &%, () :1 %Q&G%Q[Q/ ] ’JLC6+8 U,39;>AR6 ?+, VNL6#8J ;V?- UR N76KLBGHL6DMJ C7GJI8L[ ;DH ; 4 8LHDMN6 4>J86;HA ;E6N B[5] - ’()&7 8%3)9, Q,/ !, ’$ Y( : )&!,/G,&Y,[] ’ V4PD%7 =,84AVR4>Z (- U6 NR6DJ;87E 4 D> 4BBGI7;K WA 4IBJ67IK;A GCIJ#BCDA7I7 8F6M6;>68IA 5[ ] -! $"" %&’(), QY! , ,$( (.) :,QG&.&[Y ]!’ 赵,青李宏,任同,等福 大-旋回HL DM 子束数电值拟模 [ 5 - 强]激光与子粒束 .,"% , $%" /)(: % 1,%1/G( [4R7\ V, @;T X,86U 6, A4B -L+G ."" ,%$% /) (:%1,G %1 )/ 6>;I4H D;B>BLA4;8 7E7 4 4IBJ67I K;A JI7CAI8 H7DLM 6BHAI678 K4>6-:3 ; ’&7IA ? A:, VL>R48 8+ 57I8H ;F4D;68G;IHB;HJ 6B8HAI786 K64>)CI 7G=UU >4MBE;6I ;[L !1G..!(/6HABI8;7HDL B6(AIH8;H7
.)*+,.-/ 120-3*/3 4, -563/53./ **715/3 4*.8 9/2:1*47:+
.. [* T68_J,, ,’ ‘ (* \;48Ga78RJ ,,’ V]* ZLG#8L
,( > -#,,3)8,+, ?4 %.+2,4#023),’3#@++) $192+(54? 62 3#++2,&> A)> 4=B %.& .,+3C3#;=,"" "Y ,@’3"1# ;.> D 0191,8 6+’44% 2? 4@’#3++) 2$1+95 4( 62?3#2++,=+3C3#;), ""1" ,Q@’#3) 1 ’ =4+’52735 ’ U:67RI6;AHB4>7 N6 7EB4 N L7B6KGHLDM J8 EL7 3I4KG8N4 DH68N7 R4>78IH ;JIC7GU=U >4B;EM6I;P D 4448Ca6N, B48N AR6 B6HA67I 86K4> 6MI7I>48E6 M4H4>IA66D P6I6IH 4BLH4BAN- *6;D8J )(* +;>DLB4;7A8,4N7 KBLG6LDM JH8L M7NLHI8;JB 4IJ6 IK;7 AJI4C;A87 66BAIH8 7K6> 44DPN 6;JD86N ;PA R4 4887N O67ABJ4 7E 6! #$" 48 N4K 64 H>LII68 A7E 1- 1& -2 U6 R4A;I 7E7 M6MI68;HNB4I L7 M4IAB4B6B 6O7BHA;CP4 D,- % 4.N8;A D6BOH;7A DCM64NI P4 /- .0D- U R N;D6IAK;A;78 7LE6B6H A78 K6I> 46BO7H;C A4IA; 78N4 6O7BH;C DMIA64N 7 84;DFP4 DN; HLDD6DN 48,NAR6 EE66HDA E7A R6 8746 NOBA4J6 78 766HAI7B 86K> M64EI7>48HI 64PDDAL N;6N- R6U 6D6ILABDD 7PR RA4A I7MM6 I487N O6B74JA 68N H4A47NR 64J>86;HAE ;6NB4 6 IR6BELB ;8M 6AAJ;J J877 6NBHAI678 K64> 4IM>646IA’ D’>*6 ?/9+3 : ’@;JRM P6I 7;>HIP7O46; ’V IJ467 IKA JCI7AI;7 8B66AIH78 64K; ’ >?LKB6GH7LDM> 4J6A8H; E6BN;;’ B6HAI(78 LJ;8’ ) ICG7 =UU >M4BE;6;I