多注行波管PPM聚焦磁场设计方法研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)省部共建现代显示技术国家重点实验室 作者:邓光晟

  对多注行波管周期永磁( PPM) 聚焦结构中横向磁场的分布规律进行了研究,模拟分析了多注PPM 聚焦系统中横向场的旋转对称特性,并对该系统中的电子流通率进行了分析。结果表明,单注PPM 结构设计中普遍采用的横向磁场设计原则不适用于多注PPM 聚焦结构,因为后者磁场的非旋转对称现象将随着电子通道内径向位置的增大而增强。本文针对多注PPM 聚焦系统中横向磁场分布特点,提出了一种多注PPM 聚焦磁场设计的一般性方法,首次将对磁场旋转对称性的判断纳入多注PPM 磁场设计中。测试结果证明该方法对多注PPM 聚焦磁场的设计提供了较好的指导作用。

  多注行波管是在单注行波管的基础上,采用多电子注技术发展而来的一种大功率微波放大器。由于多注行波管具有频带宽、效率高、体积小、工作电压低以及重量轻等显著优点,成为近年来引起各国极大关注的一类新型微波电真空器件。多注速调管一般采用均匀永磁聚焦结构与周期反转聚焦结构,由于体积过大,该类聚焦结构难以应用于多注行波管结构中,因此多注行波管一般采取周期永磁( PPM) 聚焦。目前对多注PPM 聚焦系统的设计一般采用单注结构的设计方法,未对通道孔内磁场的旋转对称特性进行考虑。单注PPM 聚焦结构中电子注通道位于结构的旋转对称中心,耦合槽对其影响一般较小,孔内的静磁场基本满足旋转对称分布,电子注受横向磁场影响亦不大。横向磁场分布一般随着电子注通道层数的增多和通道离开系统中心轴的距离的增大而增大,对多注PPM 系统特别是当电子通道数目较多时,横向场对孔内磁场旋转对称分布性的破坏是亟待考虑的问题。特别当PPM聚焦结构设计不合理时,磁场在通道孔内的不对称特性表现得尤其明显。

1、多注PPM系统中的横向磁场分布

  横向磁场主要是因为磁系统不满足旋转对称结构而形成的,这里所描述的旋转对称结构的中心是指以电子通道为中心。单注PPM 聚焦结构中,在不考虑耦合槽时电子通道内的横向磁场是严格旋转对称的,而耦合槽的存在对磁场旋转对称特性的影响也相当有限。根据阿莫良夫斯基的理论,如果在极靴处加入铁制容性加载头,通道内的横向磁场将进一步得到抑制,即耦合槽对横向磁场的旋转对称特性的影响将进一步减小。

  对多注PPM 结构而言,多通道孔的存在会影响其中的磁场结构的分布,通道孔内的横向磁场也会发生很大变化,多注PPM 系统内横向磁场强度会随着电子注通道离开系统中心轴的距离增大而增大。当横向磁场较小时,孔内的磁力线分布是基本对称的,如图1( a) 所示,一般多为单注PPM 聚焦系统的电子通道及多注PPM 聚焦系统的中心注电子通道内磁场分布。这种情况下电子注受横向磁场的作用很小,电子流通率主要由轴向磁场确定。

电子注通道内的横向磁场

图1 电子注通道内的横向磁场

  在电子注通道的边缘,由于真空磁导率比极靴材料小得多,会有一部分磁力线从极靴内渗入通道孔中,但通道孔内的横向磁场主要集中在通道的边缘附近,而通道孔中心轴的傍轴区域内横向磁场相对较小。如果此时的磁场分布满足旋转对称特性,则横向磁场对电子注聚焦不会产生明显影响。极靴中的磁场强度越大,通道孔离对称中心越远,通道孔中横向磁场的影响越大。图1(b) 是外层电子通道内的磁场分布截面图,通道内部的横向磁场相对中心孔有所增大,同时在通道孔的边缘出现了磁力线分布不对称现象。图2为某多注PPM 聚焦系统内的磁场分布图,其中心孔的磁场分布基本对称,随着通道孔远离轴对称中心,磁场分布的非对称现象愈加严重。

PPM 系统磁场分布图

图2 PPM 系统磁场分布图(极靴横向截面)

结论

  PPM 聚焦系统中的横向磁场是影响微波管电子流通率的重要原因之一,横向磁场的非旋转对称特性会使电子注在通道中运动时产生/ 偏心0现象而被通道内壁截获。传统的单注结构PPM 聚焦系统中电子通道孔一般位于结构中心,非旋转对称性主要受耦合槽影响。对多注PPM 聚焦结构,外层电子通道本身就远离结构中心,非旋转对称特性的存在将不可避免,同时耦合槽对电子通道内磁场的影响也将进一步加大,单注PPM 结构设计中普遍采用的横向磁场设计原则对于多注PPM 聚焦结构已经不再适用。对某4 注多注PPM 聚焦结构模拟发现,即使通道孔内轴线上横向磁场与轴向磁场峰值之比小于1%,当填充比大于60% 后,电子流通率也会受到明显影响。我们针对多注PPM 聚焦磁场的特点,在磁系统设计时首先进行了对横向磁场旋转对称性的判断,在此基础上对多注PPM 聚焦系统内的横向磁场进行了优化。测试结果表明,该方法克服了多注PPM 聚焦磁场在传统设计方法下外层通道内电子流通率不佳的问题,对多注PPM 聚焦系统的设计起到了较好的指导作用。

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