回旋管磁控注入电子枪的设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)石家庄学院物理学系 作者:史少辉

  以磁控注入电子枪的绝热压缩理论和角动量守恒关系为基础,编写了磁控注入电子枪的计算程序MGUN,利用该程序完成了一个输出功率为56 kW 的W 波段二次谐波回旋振荡管磁控注入电子枪的初步设计,利用EGUN 对该磁控枪进行了研究,分析了空间电荷效应、双阳极间距、调制极电压、阴极的倾角及阴极磁场强度等因素对电子注性能的影响并对磁控枪进行了优化,结果显示:当电子注的加速电压为36 kV、工作电流为4 A 时,电子注的横纵速度比α = 1. 5,横向速度离散Δv⊥ /v⊥ =2. 4%。另外,文章还利用粒子模拟软件对EGUN 的结果进行了验证,两种方法所得结果基本一致。

  回旋管是一种能够在毫米波段产生大功率微波辐射的真空器件,其利用沿轴向回旋前进的电子注与电磁场发生相互作用,将电子的能量转化为高频电磁场能。与传统电真空器件相比,回旋管具有高频率、高功率和高效率的特点,因此被广泛地应用于高功率毫米波雷达、高密度通信、可控热核聚变中的等离子体加热、材料处理等方面。为了获得较高的互作用效率,回旋管要求电子注具有较大的横向速度及较小的速度离散,为了达到这个目的,回旋管一般采用磁控注入电子枪( MIG) 。回旋管所用的MIG 主要包括三类: 单阳极MIG、双阳极MIG 和会切MIG,其中单阳极和双阳极MIG 主要用于小回旋轨道的回旋管,会切磁场式磁控枪主要用于大回旋轨道的回旋管。

  MIG 的设计参数较多,且各个参数相互联系,这给磁控枪的优化设计带来很多困难。1986 年贝尔德( Baird) 劳森( Lawson) 利用绝热压缩理论和角动量守恒从理论上研究了与电子注相关的因素与电子注参数之间的关系,得出了将电子注参数联系在一起的五个方程,这给磁控枪的设计带来了很大便利,但是该理论没有考虑空间电荷效应,所以只是对实际情况的一个近似描述,要获得更准确的结果可以通过数值模拟来实现。磁控枪的数值模拟方法主要包括稳态轨迹模拟方法和PIC 粒子模拟方法。稳态轨迹模拟方法是通过自洽地求解泊松方程和相对论洛仑兹方程进而获得电子的运行轨迹,这种方法考虑了空间电荷效应,计算迅速,但只能处理静态场问题。采用稳态轨迹模拟方法的典型电子光学模拟软件有主要有EGUN、BEFRAY、DAPHNE、EPOSR、EOS 等。粒子模拟方法直接求解麦克斯韦方程和电子的运动方程,既能处理静态问题,又能处理动态问题,缺点是当网格和粒子数较多时计算时间较长。常用的粒子模拟软件有Magic、CST 粒子工作室等。

  本文为文献中的二次谐波回旋振荡管设计了一个双阳极MIG,该振荡管的工作磁场为1.75 T,电子注半径为1.55 mm( 其它参数见表1) 。文章第一部分,介绍了MGUN 程序的工作流程并利用该程序确定了磁控枪的初始结构; 第二部分利用稳态轨迹模拟软件EGUN 研究了磁控枪的性质; 第三部分利用粒子模拟软件Magic 对电子枪进行了验证; 第四部分总结了本文的主要工作。

表1 回旋振荡管的基本参数

回旋振荡管的基本参数

1、磁控枪的基本理论和初始参数确定

  选择双阳极MIG 作为设计目标,为了确定MIG的初始参数,利用绝热压缩理论编写了MIG 的计算程序MGUN,其主要流程结构如图1 所示。在程序中把MIG 的参数分为确定参数和优化参数两类,其中确定参数是在MIG 的设计过程中不需要调节的参数,其数值由高频互作用电路设计得到,主要包括:电子注的电流I、加速电压U2、速度比α、电子注半径Rb、互作用区磁场B 等。优化参数是在MIG 设计过程中需要调整优化的参数,主要包括: 第一阳极电压U1、阴极平均半径Rc、阴极长度Lc、阴极倾角c、阴阳极间距da以及阴极磁场Bc,这六个参数是决定磁控枪性能的主要参数,在设计磁控枪的过程中需要综合考虑。衡量电子注质量的主要参数是电子注的速度比α 和电子注的横向速度离散Δv⊥ /v⊥。另外,在设计中还要考虑以下几个参量: 磁控枪阴极电场强度Ec、阴极电流密度Jc、磁压缩比fm等,考虑到工程中的实际情况,这些量还需要满足一定的条件( 表2) 。

MGUN 的主要计算过程

图1 MGUN 的主要计算过程

表2 磁控注入电子枪的限制条件

磁控注入电子枪的限制条件

4、结论

  本文设计了应用于工作频率为94 GHz、输出功率56 kW 的二次谐波回旋振荡管的双阳极MIG。首先使用MGUN 程序确定了MIG 的初始参数,然后利用粒子追踪软件EGUN 研究了各个参数对电子注性能的影响,结果显示: 阴极磁场强度及阴极的倾角对电子注的性能影响最大,随着阴极磁场强度和阴极倾角的增加,电子注的速度比α 和速度离散都减小;电子注电流对α 影响较大,其它参量不变时,增大电子注电流,α 迅速减小; α 和速度离散随调制极电压的升高都同步升高; 双阳极间距对电子注性能影响较小。基于以上规律,对MIG 进行了优化,最终获得了电子注横纵速度比α = 1. 5、平均横向速度离散Δv⊥ /v⊥ = 2. 4% 的电子注,满足了回旋振荡管对电子注的要求。最后,利用粒子模拟软件Magic 对MIG进行了模拟,其结果与EGUN 所得结果符合得很好。文章所用的设计方法和所得到的规律对回旋管MIG的设计具有重要的指导和参考意义。

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