（物理电子学专业论文）微波管中永磁结构的研究.pdf

摘要 本文的 研究主要是面向 微波电 子管研制中的实际问题。 具体要解决非线性磁 场 计 算 与 设 计 的 难 题 ， 发 展 塑鳍二磁 系 统 设 计 软 件 ， 并 为 回 旋 管 的 永 磁 包 装 设 计 一套可行的方案。 文章包括非线性磁场的计算、计算结果的处理及数据可视化、磁场设计的优 化及其标准、回旋管的磁系统设计实例等内容。 中科院电子所大功率微波器件研究室己开发了一个二维轴对称坐标系下的 磁场计算软件c t a 。 该程序在磁场计算中只能假设软磁材料中的磁导率都是已 知 的固定值。 作者通过理论分析与数值实验相结合的办法找出它计算软磁材料中磁 导率分布时迭代发散的原因， 并作出 相应的改进， 解决了非线性磁场计算的问 题。 令 此 得 出 结 论 ， 在 非 线 性 磁 场 计 算 中 : 采 用 迭 代 法 的 情 况 下 ， 在 各 迭 代 循 环 之 间 进行磁导率修正时， 一个欠松弛迭代过程是必需的; 对永磁体中的等效电流修正 时可以不作欠松弛迭代; 在纯铁的磁化曲 线上指定某一个固定的磁感应强度为磁 饱和值，会使得插值求出的磁导率在该磁饱和值附近有一突变， 这一突变对计算 结 果 中 磁 场 分 布 变 化 的 光 滑 性 稍 有 影 婀 波 管 磁 系 统 设 计 中 ， 由 于 微 波 管 磁 路比较复杂， 作者认为磁体的工作点并不能很好地反映磁体的工作状态， 而采用 平均磁能积为衡量磁体工作状态的标准更加符合微波管磁系统的实际情况; 要表 示磁系统设计好坏的程度，则用磁能利用的效率为标准更好。 关键词:非线性磁场，收敛性，磁饱和点，平均磁能积，最优化 s t u d y o n t h e ma g n e t s y s t e m o f mi c r o w a v e t u b e s wu x u n l e i ( p h y s i c a l e l e c t r o n i c s ) d i r e c t e d b y d i n g y a o g e n ( r e s e a r c h f e l l o w ) ab s t r a c t t h e o r i e n t a t i o n o f t h i s d i s s e r t a t i o n i s t o s t u d y p r a c t i c a l p r o b l e m s a r i s i n g i n t h e m a n u f a c t u r e o f m i c r o w a v e t u b e s . t h e a u t h o r i n t e n d t o f i n d a s o l u t i o n f o r t h e c o m p u t a t i o n o f n o n - l i n e a r m a g n e t i c f i e l d s , i m p r o v e o u r c a d s o ft w a r e , a n d i n a d d i t i o n d e s i g n a m a g n e t s y s t e m f o r a g y r o t r o n . t h i s t h e s i s i n c l u d e s f o l l o w i n g s u b j e c t s -c o m p u t a t i o n o f n o n - l i n e a r m a g n e t i c f i e l d s , d a t a p r o c e s s i n g a n d v i s u a l i z a t i o n , o p t i m i z a t i o n a n d c r i t e r i o n f o r m a g n e t d e s i g n s , d e s i g n s o f m a g n e t s y s t e m f o r a g y r o t r o n . t h e s t u d i e s b a s e o n a f o r t r a n p r o g r a m d e v e l o p e d b y h i g h p o w e r mi c r o w a v e t e c h n o l o g y a n d d e v i c e l a b o r a t o ry , i e c a s . t h i s p r o g r a m i s e m p l o y e d i n t h e c o m p u t a t i o n o f m a g n e t i c f i e l d s in 2 d c y l i n d r i c a l l y s y m m e t r i c s y s t e m s . b u t i n t h e c o u r s e o f m a g n e t i c f i e l d c o m p u t a t i o n t h e p e r m e a b i l it y d i s t r i b u t i o n i n s o ft m a g n e t i c m a t e r i a l s h a s t o b e s u p p o s e d a s k n o w n a n d f i x e d . wh e n o n e t r i e s t o c a l c u l a t e t h e p e r m e a b i l i t y d i s t r i b u t i o n t h e i t e r a t i o n w i l l l o s e i t s c o n v e r g e n c e . t h e a u t h o r f i n d s o u t t h e r e a s o n s f o r t h e d i v e r g e n c e b y m e a n s o f t h e o r e t i c a l a n a l y s i s c o m b i n e d w i t h n u m e r i c a l e x p e r i m e n t s . m a g n e t i c f i e l d s a n d r e v i s i o n b y o f t h e s u c c e s s f u l s o l u t i o n o f n o n - l i n e a r p r o g r a m, w e c a n r e a c h c o n c l u s i o n s : me t h o d i s i n t h e c o m p u t a t i o n o f n o n l i n e a r m a g n e t i c f i e l d s , f o l l o w i n g i f i t e r a t i o n u s e d , u n d e r - r e l a x a t i o n i s n e c e s s a r y w h e n a me n d i n g t h e p e r m e a b i l it y d i s t r i b u t i o n i n s o ft m a g n e t i c m a t e r i a l s ; a n d w h e n c a l c u l a t in g t h e e q u i v a l e n t c u r r e n t d e n s it y i n p e r m a n e n t m a g n e t s , u n d e r - r e l a x a t i o n i s n o t a n e c e s s i t y ; wh e n s e a r c h i n g f o r p e r m e a b i l i t y v a l u e s b y i n t e r p o l a t i o n m e t h o d o n t h e m a g n e t i z a t i o n c u r v e o f s o ft m a g n e t i c m a t e r i a l s , i f a f i x e d s a t u r a t i o n p o i n t i s s e t , a r o u n d t h i s p o i n t a n a b r u p t c h a n g e o f p e r m e a b i l i t y v a l u e s w i l l b e o b t a in e d ; t h i s s u d d e n c h a n g e m a y c a u s e a l it t l e p r o b l e m i n t h e s m o o t h n e s s o f m a g n e t i c f i e l d d i s t r i b u t i o n ; b e c a u s e t h e m a g n e t i c c i r c u i t s o f m i c r o w a v e t u b e s a r e t o o c o m p l i c a t e d , i n t h e a u t h o r s v i e w , t o d e s c r i b e t h e w o r k i n g s t a t e o f a m a g n e t s y s t e m , t h e w o r k i n g p o i n t s o f m a g n e t s c a n n o t d o i t p r o p e r l y b u t a v e r a g e e n e r g y p r o d u c t i o n o f m a g n e t s w i l l s e r v e ; a s t o i n d i c a t e t h e q u a l i t y o f a m a g n e t s y s t e m d e s i g n f o r m i c r o w a v e t u b e s , t h e e f f i c i e n c y o f m a g n e t i c e n e r g y u t i l i z a t i o n w i l l b e a v e r y g o o d c r i t e r i o n . k e y w o r d : n o n - l i n e a r m a g n e t i c f i e l d , c o n v e r g e n c e , m a g n e t i c s a t u r a t i o n p o i n t , a v e r a g e m a g n e t i c e n e r g y p r o d u c t i o n , o p t i m i z a t i o n 第一章引言 第一章引言 1 1 永磁结构在真空微波器件中的应用概况 1 1 1 真空微波器件的产生与发展 二十世纪上半叶，无线电通信行业的发展和国防的需要推动了科技工作者们 对微波电子管的研究和开发。早在1 9 2 4 年h u l l 已研制出磁控管。1 9 3 7 年v a r i a n 兄弟发明了速调管。1 9 4 3 年k o m p f n e r 又发明了行波管。陆续出现的各个微波管 管种在雷达、通信系统、电子对抗、加速器等方面有了很好的应用。 随着雷达、等离子体加热等新技术领域的发展，已有的普通微波管和固体器 件都无法再满足人们不断提高频率、功率的新需要。因为波长越短，波导、谐振 腔等器件的尺寸也要求做得越小，这就使得加工起来非常困难，同时注波互作用 一 空间小了，功率容量也随之减小。诸如此类的矛盾是传统微波器件都不可能解决 的。这就导致一类新型器件一电子回旋脉塞器件的出现。 电子回旋脉塞器件的发展始于1 9 5 8 年澳大利弧天文学家r q t w i s s 首先提 出的自由电子回旋谐振受激辐射的概念，及稍后前苏联科学工作者a v g a p o n o v 建立的相对论电子注与电磁波的相互作用理论。1 9 6 5 年j l h i r s h f i e l d 以实验 证实了上述机理的正确性。7 0 年代以来，美国、俄罗斯、德国、中国等国投入 大量人力物力进行研究，使得这一领域得到蓬勃发展。如今，电子回旋脉塞器件 已经形成包括回旋单腔振荡管、回旋速调管、回旋行波管、回旋返波管等一系列 的管种。 其中，回旋单腔振荡管主要用作电子回旋共振加热( e c r h ) 和磁约束等离子 体诊断所需的高功率毫米波源【1 。2 l 。此外，也可用于陶瓷等材料的处理。中科院 电子所大功率微波器件研究室就研制过一系列的回旋单腔振荡管口。8 】。成都的电 子科技大学在回旋管研究方面也做了大量的工作5 1 。 直到近几年，从国家科技图书文献中心( w w w x t s t l g o v c n ) 仍然可以检索到 的中外文期刊上每年刊登有数百篇与回旋管、速调管等真空微波器件有关的研究 的论文。由此可见，这一领域的研究仍然比较活跃，国际学术界对微波管，尤其 微波管中永磁结构的研究 是回旋管中的很多物理现象还没了解清楚，很多问题还有待进一步解决。 1 1 2 微波管的基本结构及工作原理 微波管的种类很多，此处仅对行波管、速调管和回旋管的基本结构及工作原 理作简单介绍。 一行波管 图1 1 是行波管结构示意图。行波管由电子枪、聚焦系统、慢波结构、输入 输出装置和收集极五个部分组成。电子枪用来产生具有一定形状和电流的电子 注，聚焦系统的作用是约束电子注的扩散，收集极用于接收完成相互作用后的电 子。高频信号从输入耦合装置送到慢波线始端，沿慢波线向前传输，并与电子注 相互作用，电子注的直流能量转化为高频场能量，使信号得到放大，最后从慢波 线末端的输出耦合装置输送到负载。 。 二速调管 图1 1 行波管的结构 图1 2 是双腔速调管的基本结构。它包括三大部分：电子枪，高频系统( 输 入系统、谐振腔、漂移管、输出系统) 和收集极。输出系统包括输出波导( 或同 轴线) 和输出窗。为了维持电子注的形状，它也需要电子注的聚焦系统。 2 第一章引言 图1 2 速调管的结构 饭 在双腔速调管中，由阴极和加速极组成的电子枪产生一密度均匀的电子注， 它通过一个加有正弦调制信号的间隙时，受间隙高频场的作用，使正半周通过的 电子加速，负半周通过的电子减速，在离开间隙时电子速度已不再相等，这个过 程即为速度调制。电子注离开间隙后进入无场漂移空间作惯性运动。由于在先后 不同时刻进入漂移空间的电子速度不等，后进入漂移空间的快电子逐渐追上先进 入漂移空间的慢电子，使电子注有稀有密，不再均匀，这个过程称为“群聚”。 在电子密集程度较高的位置上设置一个能量输出装置，例如一个有谐振腔的输出 间隙，当群聚电子注穿过此间隙时，就激发输出腔，在腔内建立感应电流和高频 电压，输出高频能量。最后电子注到达收集极上，将剩余能量转化为热能耗散掉。 三回旋管 回旋管是一大类器件，它们包括回旋单腔振荡管、回旋速调管、回旋行波管、 回旋返波管等等。 以回旋单腔振荡管为例，看回旋管的结构如图1 3 。图形上方是回旋管的中 心轴上磁场的分布。左边是磁控注入电子枪( m i g ) ，它提供一个空心环状电子 注。电子注出来后，受到倾斜于对称轴的电场和磁场的作用，这样电子就会产生 凹旋运动，再经过一段缓变上升磁场，回旋电子注受到绝热压缩，电子的横向速 微波管中永磁结构的研究 电“于枪 r r 输出 图1 3 回旋管的结构 度按绝热不变量毒v 2 = c o n s t 的规律增加，电流密度增大，电子注半径减小，电子 能量的大部分转变成横向的回旋能量。当电子的横向速度与纵向速度比 a = 达到要求时，电子注进入注波互作用区。回旋管中能量交换采用螺旋 形电子注与快波的横向高频场相互作用的方式，在角向产生电子群聚来完成放大 或振荡作用。 1 1 3 微波管中的磁场 一磁场的作用 各种微波管的基本原理都是利用电子束或电子注与高频电磁场的相互作用， 把输入的电子注的能量转化成输出的微波、毫米波能量。它们的基本结构都包括 电子光学系统、谐振腔( 高频互作用系统) 和收集极三大部分。 其中电子光学系统包括电子枪和聚束系统，它的作用是为谐振系统准备好符 合要求的电子注，让电子在腔体里释放能量。它需要用外加的约束力来限制电子 注因空间电荷力而产生的横向扩散，以便得到一个性能优良传输稳定的电子注， 4 一 管、 螺舀 第一章引言 实现与高频场的有效相互作用和能量交换，达到放大信号的目的。行波管、速调 管和回旋管的性能都在很大程度上决定于电子注的质量，即它的层流性、刚性、 通过率等，获得一个高质量的电子注是至关重要的问题。 要让电子注聚焦可以使用静电场或静磁场的方式。静电场聚焦虽然有重量 轻，受环境温度影响小等优点，但是电子注稳定性差，故没有普遍采用。聚焦磁 场在电子光学系统中则有广泛的应用。可以说大多数微波管中电子注的质量与管 子的磁场位形密切相关。所以要深入研究磁场问题，确保磁系统的设计和制造质 量。 二磁场的场源 目前行波管都采用磁系统聚焦电子注，速调管也有用磁场聚束系统的。最初 行波管用通电线圈来得到所需的磁场，它的优点是可以方便地以改变线圈电流来 调节磁感应强度，能得到任意长度的均匀磁场；缺点是体积和重量都较大，而且 需要电流和功率都相当大的稳流电源。现在线圈磁场已用的不多。永久磁体已经 得到广泛的应用。但是要产生较长范围的均匀磁场是个很大的困难( 低频大功率 行波管长度一米以上) 。一方面为了克服以上缺点，另一方面由于行波管、速调 图1 4 周期永磁聚焦系统 微波管中永磁结构的研究 军事应用的中管子体积小、重量轻、功耗低要求，科技工作者们又发展了周期永 磁聚焦系统( 图1 4 ) 。它由一系列的相互间隔的极靴和磁钢组成，相邻磁钢的 极性是相反的，沿轴磁场分布是周期变化的。周期永磁聚焦系统的优点非常明显， 首先它的体积和重量都很小。其次由于每片磁钢都是反向的，它们的杂散磁场相 互抵消，总的杂散磁场也小，容易屏蔽。第三由于高磁能积磁钢的出现，磁场的 周期可以做得比较小而轴向磁感应强度却较高。缺点也是有的。由于磁场是周期 的，因此电子注必然有波动，尽管可以通过缩短周期来减小波动，但不能完全消 除。另外磁钢内径的太大则轴向磁感应强度就降低，使得一些慢波结构径向尺寸 较大的大功率行波管不能采用周期永磁聚焦系统。再来看一看回旋管的情况，通 常回旋管的磁场由是由常温或超导线包提供的。常温线包要保持稳定地工作需要 有水冷系统，超导线包则必需有低温恒温系统，这使得回旋管的运行必须带上庞 大、笨重而又复杂的附加设备。这种缺点严重地限制了回旋管的应用范围，尤其 是排除了作为可移动的毫米波雷达功率源的可能。为进一步拓宽回旋管的应用领 域，研制永磁包装回旋管势在必行。实际上国外已经有研制永磁包装回旋管的报 道 1 6 - 1 7 】。 中科院电子所研制过以常温线包提供工作磁场的单腔回旋振荡管。在此基础 上，应该有能力开发永磁包装回旋管。 图1 5 轴向充磁永磁体的场分布 6 第一章引言 永磁磁场源与线包磁场源相比有一些不同，后者需要电源和冷却系统，但是 磁场的大小和均匀性可以非常准确地控制，由于材料和工艺的原因永磁磁场源就 不容易把握。另外，它们的场分布也是不一样的，如图1 5 ，图1 6 ，图1 7 。 永磁系统的磁场在中心轴上有零点，而线包磁场就没有。微波管的线包磁场中通 常径向分量较弱，而永磁系统中为了提高中心轴上的磁感应强度，需要让磁极离 中心轴更近，常常用到径向充磁的磁体，因此，极靴摆放的的位置也不一样。极 3 5 0 0 2 5 0 0 o n f n l 5 ( 9 0 5 0 0 _ 一5 0 0 图1 5 线包磁场的场分布 ：j 矿：泔 一5 5 攀 图1 _ 6 线包与永磁系统对称轴上的场分布 微波管中永磁结构的研究 靴中可能的磁饱和现象对场分布的影响也不一样。 因为这种种的不同可能对微波管质量造成影响，对要求工作在强磁场下的回 旋管甚至关系到管子能否正常工作，所以很有必要把用永磁结构单列出来专门研 究，这也是本论文的初衷。研究中牵涉到回旋管的永磁包装的困难很多，既有理 论的，设计的，也有工艺的，材料等方面的。 以下分别做个背景介绍。其中着重讨论计算与设计的问题。 1 2 磁系统的计算与设计 真空电子器件的设计似乎不应有太大的困难。因为麦克斯韦一百多年前就已 经建立了电磁场理论，并一直沿用至今，人们对它的理解已经很透彻。可是工程 设计中由于实际边界条件复杂，麦克斯韦方程的解析解或者非常难于求得或者根 本无法解出。过去人们只能采取一些简化措施，得出近似的解析解；或者借助于 反复的模拟试验办法，比如用电解槽、导电纸或阻抗网络等，来得到满足工程要 求的近似结果。过去人们在磁系统的设计中采用较粗略的磁路的概念，可是微波 管的设计需要了解电子运动的轨迹，磁场分布的计算是至关重要的，得不到电磁 场分布的精确图景，就非常难于保证设计的质量。因此，一定要发展好的近似计 算方法。 实际上，除了追求解析解，科学工作者们对偏微分数值解的研究也已经有很 长的历史，但是直到上世纪四十年代以来，由于计算机的出现才使得各种数值计 算方法有了很大的实用价值，同时新的数值计算方法的不断产生和发展，科学家 和工程师们有了求解复杂边界条件下电磁场的分布能力。 下面就对些现在常用的数值方法作个简单介绍。 1 2 1 常用数值计算方法 磁场问题属于电磁场问题中最简单的一种恒定问题。求解恒定磁场基本 方程的数值方法，目前用得较多的主要有三种：有限差分法、有限元法和积分方 程法。 有限差分法的使用就可以追溯到高斯的时代。它因概念清晰、方法简单、直 笫一章引言 观等优点，在电磁场数值分析领域得到广泛的应用。有限差分法的基本思想是用 网格把定解区域离散化，然后以离散的网格节点上函数的差商来近似替代该点的 偏导数，这样，待求的偏微分方程的定解问题就转化成了一组相应的差分方程的 问题。直到近些年仍有人研究磁场计算中有限差分法的使用问题，如网格点的最 优分布等吟2 0 1 。 有限单元的思想最早是由c o u r a n t 于1 9 4 3 年提出的。它特别适于用来解决 几何形状和物理性质复杂的问题。这种方法首先弹性力学中得到广泛的应用，并 取得成效，后来又推广应用到流体力学、传热学等其它领域中。六十年代末，七 十年代初，p s i v e s t e r 和m v k c h a r i 开始把有限元法引入到电磁场计算中。 发展到今天，有限元法在磁场数值计算已占据了主导地位。有限元法的指导思想 是先把所要求解的微分方程的边值问题转化为相应的变分问题，即泛函求极值的 问题；然后利用剖分插值，把变分问题离散化为普通多元函数的极值问题，即最 终归结为一组多元的代数方程组，解之即得待求边值问题的数值解。有限元法 最麻烦的问题是数据的前处理，即自适应网格的产生。到八十年代还有好些关于 网格自动划分的迭代方法的文章口1 。2 2 1 。因为这种困难，有限元法的计算机程序要 编得长、大又复杂。 积分方程法又称矩量法，它是r f h a r r i n g t o n ，c 肌t r o u b r id g e 等人发展 的。有限差分法和有限元法都是用有限的自由度来近似地描述一个连续体。在开 域问题中，必须把边值为零的边界取到相当远处，致使需要计算的场区变得很大， 网格和节点数也大量增加。在计算场分布急剧变化的地方，网格必须划分得非常 细致，这也给计算带来额外的困难。积分方程法正是因为要克服这些困难而创立。 它的离散仅在源区进行，这使得数据输入和网格剖分大为简化。但是，用积分方 程法求解非线性问题时，需要相当大的内存来存储系数矩阵的元素，求解效率不 如微分方程法高。 所有这些算法都是要把麦克斯韦方程转化成求解线性或非线性方程组的问 题，然后用直接法或迭代法求得最终的结果。求解线性方程组宜用超松弛迭代法 ( 稀疏矩阵) 或共轭梯度法，求解非线性方程组，宜用牛顿一拉夫逊法。 9 微波管中永磁站构的研究 近年来，i n s p e c 每年出的物理文摘和电学与电子学文摘上，仍然收录有上 百篇关于磁场计算方面的文章。主题多集中在有限元法或两种方法结合对三维非 线性磁场的计算、迭代方法的收敛性、计算误差的分布等方面【2 3 2 7 1 。 1 2 2 电磁场计算的商业软件 六十年代开始，好些科学工作者就把自己的电磁场数值计算理论成果发展成 实用的设计软件。比如c s t 公司在t w e i l a n d 的积分方程法基础上开发了微波设 计c a b 软件m a f i a 。t r e g u b o v 也以积分方程法为基础开发了t a u 电子光学系统计 算软件。中科院电子所宋文淼先生多年从事电磁场算子理论的研究 2 8 2 9 】，目前 正在进行实用软件开发。 起初因为没有软件公司的参与，各种电磁场计算程序都设计得太专业化，其 中的参数设置很复杂，界面也不够美观，使用起来很不方便。近些年来国外专门 从事电磁场数值分析的软件公司如：a m s o f t ，c s t ，q u i c k f i e l d ，v e c t o r f i e l d s ，s o n n e t ， f e m l a b 等等，不断涌现。它们的产品涵盖的范围很广，人机互动的界面也做得很 漂亮，可是价格高昂。m a f i a 报价是5 万多美元。a m s o f l 仅仅低频部分就卖7 万 多美元。即使是不知名的t a u 最低价也得一万六千美元。国内从事科学计算软 件开发的公司几乎没有，更谈不上电磁场设计软件。要购买各公司的正版软件太 困难，它们的演示版或说明书还是有参考价值的( 部分电磁场软件公司网址参见 附录一) 。 商业软件必须适应各种不同的客户，因此往往要把软件做得很庞大。比如 m a f i a 就包含了静电场、静磁场、热分析等七个模块。即便如此，仍然很难满足 很多特殊用户的特殊要求。例如a n s o f t ，m a f i a 等大型商业软件都包含了磁场计 算的功能。却都无法给出一个估计，说明一个的具体磁体结构中磁能利用的效率。 而微波管磁系统设计，只有提高磁能利用的效率，才能得到最好、重量最轻的设 计方案。 因此，对于资金不充裕而所需解决问题的面又窄的国营企事业单位，有能力 的话，还是要尽可能使用自己编制的小软件。实力较强的大学或研究所等单位买 回的软件也要进行二次开发，才能得到符合自己特殊要求的软件产品。 1 0 第一章引言 1 2 3 微波管与电磁场优化设计 计算电磁学要解决的是电磁场计算的准确性问题。根据计算电磁学理论开发 的各种商业化软件，已经能够令人满意地解决磁场计算的科学问题。可是工业生 产中还要考虑器件中磁场能量分布的合理性，磁系统与其它零部件的相容性，工 艺上实现的可能性等其它问题。一言以概之，工程中的磁场需要优化设计。近几 年在电机行业、核磁共振行业已经有人开始研究磁场优化设计的问题”o 。3 1 ，还有 很多工作有待开展。 1 3 磁性材料简介 微波管永磁系统的质量与磁性材料的质量密切相关，因此一定要关注磁性 材料行业的进展。微波管中使用的磁性材料包括硬磁材料和软磁材料。 目前常用的永磁材料主要有铁氧体、铝镍钴和稀土永磁。铁氧体永磁材料 的主要特点是原材料资源丰富，价格低廉。由于磁性能不够高，微波管行业通常 不用。铸造a l n i c o 的居里点耳高，温度稳定性好。这种材料过去应用广泛，现 在它在全球的产量已逐年降低。s m - c o 系永磁材料居里点高，温度稳定性好，但 是，价格高昂。n d f e b 系永磁材料的磁性能高，而价格相对较低，开始在微波管 中得以应用。 中科院电子所目前用得最多的永磁材料就是烧结n d f e b 系永磁材料。现阶段 我们研究室通常采用磁能积标号为3 3 m g o e 。n d f e b 系还处在它的发展阶段， 它的性能还有提高的潜力。它的磁能积理论极值是5 1 2 k j m 3 ( 6 4 m g o e ) 。1 9 9 0 年的实验室制造水平达到了4 1 6 k j m 3 ( 6 4 m g o e ) ，目前世界最高记录为 5 4 2 m g o e ，国内最高水平为5 2 4 m g o e 3 4 - 3 6 。工业化生产烧结n d f e b 系永磁材 料的磁能积已达5 0 m g o e 。当新的永磁体产品性能稳定时，我们应该尝试使用 标号更高的永磁材料。高磁能积产品的优势是显而易见的。1 0 0 公斤磁能积标号 为3 3 m g o e 永磁材料提供的磁场能，如果用5 0 m g o e 的材料，只需6 6 公斤。 软磁合金的范围包括铁和低碳钢、硅铁合金一直到高镍铁合金及钴铁合 金。除了必要的饱和磁化强度外，这些合金必须具有的最重要性能还有：( a ) 低 微波管中永磁结构的研究 损耗( 可能是交变场要求) ，( b ) 低矫顽力，( c ) 高磁导率( 起始，最大) 。在某些 特殊的应用场合，可能要求在低磁场下有高的恒定磁导率或在一定温度范围内磁 导率与温度具有线性关系。 铁和硅铁合金是目前使用最广泛的软磁材料。所谓“纯铁”通常系指纯度 为9 9 9 1 以上，另含有少量c 、s i 、p 、s 、n 和0 的铁。对磁性影响最严重 的杂质是非金属元素c 、0 、s 、n 。 我们研究室采用的纯铁是d t 一4 ，d t 一8 。微波管磁场对软磁材料的要求主要 是高磁导率和高饱和磁化强度。 1 4 本文的主要工作 一解决了非线性磁场计算的问题。作者在研究中科院电子所的磁场计算程序c t a 的缺陷时，发现并解释了迭代过程发散的原因。为根本地改善计算的收敛性，给 程序增加了一个欠松弛过程，并在极靴的磁导率修正过程中的插值开关的设置， 饱和点的选择等方面进行创新性的探索。 二独创性地以平均磁能积为衡量磁体的工作状态的标准。传统上磁系统设计 中，人们都以磁体的工作点来判断它对磁场能量的贡献。作者认为这个标准不适 于微波管磁路的应用。因此提出以平均磁能积为新的标准，并以磁体中的磁能积 分布图为磁系统设计提供直观的依据。 三给磁场计算程序e t a 增加了磁力线图等，一些数据可视化功能。 四设计了一种回旋管的永磁包装的方案。 五在微波管行业中作磁场优化设计的尝试。 第一章引言 参考文献 【1 】m t h u m m s t a t e o f t h e a r t e l e c t r o nm a s e r su p d a t e1 9 9 7 g e r m a n y ，1 9 9 8 o fh i g hp o w e r g y r o d e v i c e s a n df r e e f o r s c h u n g s z e n t r u mk a r l s r u h ef z k a6 0 6 0 ， 2 v l g r a n a s t e i n ，e t a 1 aq u a r t e rc e n t u r yo fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i e e et r a n s a c t i o n so fp 1 a s m as c i e n c e ，1 9 9 7 ( 2 5 ) ：1 3 2 2 【3 中国科学院电子所高功率微波技术与器件研究室新型符合腔日品模二次谐 波回旋管主要研制报告内部资料，1 9 8 9 。 【4 s c z h a n g ，j r l u o n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sf o ri m p r o v i n gt h e m a g n e t r o ni n j e c t i o ng u n i n8 m m w a v e l e n g t hg y r o t r o n i n t e r n a t i o n a lu n i v e r s i t y c o n f e r e n c eo ne l e c t r o n i c sa n d r a d i o p h y s i c so f u h f , 1 9 9 9 ：1 5 8 5 】j i r u nl u o ，e ta 1 d e v e l o p m e n to f - 6 0 d bd i r e c t i o n a lc o u p l e rf o r8 m mt e 0 3 c i r c u l a rm o d e o p e r a t i o n a p m c 9 7 ：9 9 3 6 】罗积润等回旋管输出窗频率特性的研究电子科学学刊，1 9 8 7 ( 9 ) ：4 6 5 【7 】j i r u nl u oe ta 1 a n a l y s i so fb e a m w a v ei n t e r a c t i o ni nt h ec o u p l e dd o u b l e c a v i t yg y r o t r o no s c i l l a t o r j o u r n a l o f e l e c t r o n i c s ，1 9 8 8 ( 1o ) ：p 4 6 5 【8 罗积润等回旋管高频腔中金属膜片对谐振频率的影响电子科学学刊， 1 9 9 7 ( 1 9 ) ：4 3 l 9 李宏福等8 r m n 三次谐波复合腔回旋管研究电子科技大学学报，1 9 9 6 ( 7 ) ： 5 3 5 7 。 1 0 杨仕文等渐变结构复合腔研究电子科技大学学报，1 9 9 6 ( 7 ) ，5 8 6 2 。 11 黄勇等三次谐波复合腔回旋管自洽非线性模拟电子科技大学学报，1 9 9 6 ( 7 ) ，6 3 - - 6 6 。 【1 2 李家胤等三次谐波回旋管电子枪的设计电子科技大学学报，1 9 9 6 ( 7 ) ， 7 2 7 5 。 【1 3 王华军等回旋管双阳极磁控注入电子枪的设计强激光与粒子束，1 9 9 9 ( 3 ) ，3 3 7 3 4 1 。 1 4 李宏福等8 m m 低压、低磁场回旋管中国电子学会真空电子学分会第十一 届学术年会论文集，青岛，1 9 9 7 ：2 0 3 2 0 6 【1 5 1 黄勇等8 m m 三次谐波复合腔回旋管的起振和模式竞争中国电子学会真空 电子学分会第十一届学术年会论文集，青岛，1 9 9 7 ：2 3 4 - - 2 3 5 1 6 t k i k u n a g ae t a 1 a2 8g h zg y r o t r o nw i t hap e r m a n e n tm a g n e ts y s t e m i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f e l e c t r o n i c s 1 9 9 5 ，7 9 ( 5 ) ，6 5 5 6 6 3 【17 a n k u f l i ne ta 1 t e c h n o l o g i c a lg y r o t r o n sw i t hp e r m a n e n tm a g n e ts y s t e m i n t e m a t i o n a lu n i v e r s i t yc o n f e r e n c eo ne l e c t r o n i c sa n dr a d i o p h y s i c so fu h f , 1 9 9 9 ：1 2 6 1 2 9 【1 8 a n k u f t i n e t a 1 t h e o r yo fh e l i c a le 1 e c t r o nb e a m si ng y r o t r o n s i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f l n f f a r e da n dm i l l i m e t e rw a v e s 1 4 ( 4 ) 1 9 9 3 ：7 8 3 8 1 6 19 1b d e l f i n oe ta 1 ac o n t r i b u t i o nt oh i g h p r e c i s i o nc o m p u t a t i o no f l a p l a c i a n f i e l d s i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc o m p u t a t i o ni n e l e t r o m a g n e t i c s l o n d o n ： i e e ，n o v 、1 9 9 1 3 一1 4 微波管中永磁结构的研究 f 2 0 n a d e m e r d a s h ，t w - n e h l c o m p a r i s o nb e t w e c nt h ef i n i t ee l e m e n ta n dt h e f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d sa p p l i e dt om a g n e t i cf i e l d s i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e o nc o m p u t a t i o ni n e l e t r o m a g n e t i c s l o n d o n ：i e e ，n o v 1 9 9 1 1 0 7 一1 1 7 f 2 1 】p f e r n a n d e se ta 1 l o c a le r r o re s t i m a t e sf o ra d a p t i v em e s hr e f i n e m e n t ，i e e e t r a n s a c t i o n so n m a g n e t i c s 1 9 8 8 ，2 4 ( 1 1 ，2 9 9 3 0 2 2 2 p g i r d i n i o n e wd e v e l o p m e n t so fg r i do p t i m i z a t i o nb yt h e g r i di t e r a t i o n m e t h o d c o m p u t a t i o n a le l e c t r o m a g n e t i c s a m s t e r d a m ：e l s e v i e rs c i e n c e ，l9 8 6 ， 3 1 2 2 3 n i d a am e s hg e n e r a t o rw i t ha u t o m a t i cb a n d w i t hr e d u c t i o nf o r2 da n d3 - d g e o m e t r i e s n o r t h h o l l a n d ，e l s e v i e rp u b l i s h e r sb v ，19 8 6 ，13 2 2 f 2 4 i p e r u g i a af i e l d b a s e dm i x e df o r m u l a t i o nf o rt h e t w o d i m e n s i o n a l m a g n e t o s t a t i c p r o b l e m s i a m j o u r n a lo fn u m e r i c a la n a l y s i s ，】9 9 7 ，3 4 ( 6 ) ： 2 3 8 2 2 3 9 0 2 5 j 0 d w y e r e ta 1 c h o o s i n gt h ep a r a m e t e rf o rt h es o l u t i o no fn o n l i n e a r m a g n e t i cf i e dp r o b l e mb yt h en e w t o n r a p h s o nm e t h o d 1 e e e t r a n s a c t i o n s o l lm a g n e t i c s ，1 9 9 9 ，3 l ( 3 ) ：1 4 8 4 1 4 8 7 【2 6 】m c h i a m p i ，m r e p e t t o a ni m p r o v e dt e c h n i q u ef o rn o n l i n e a rm a g n e t i c p r o b l e m s 1 e e e t r a n s a c t i o n s o n m a g n e t i c s ，1 9 9 8 ，3 0 ( 6 ) ：4 3 3 2 - 4 3 3 4 【2 7 】p g i r d i n i o ，e ta 1 n o n l i n e a rm a g n e t o s t a t i c