（物理电子学专业论文）紧凑重频脉冲导引磁场电源的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 采用重频脉冲磁场作为重频高功率微波源的导引磁场，该磁场的初级能源具 有功耗低、发热量小、结构紧凑等优点，符合当代高功率微波装置朝紧凑化、重 频方向的发展要求，近年来在国内外受到了广泛关注。本文通过对产生磁场的螺 线管、初级能源( 为螺线管供电) 的功率电路和智能控制系统三个关键子系统进行理 论分析、工程设计和实验研究，完整地提出了脉冲磁场的设计方法和步骤，并研 制出一台平均输出功率达4 6 5 k w 的磁场初级能源，利用它为实验室某k a 波段返 波管( b w o ) 的螺线管脉冲放电，可获得所需的2 2 1 t 的峰值磁场，在1 0 h z 重频下 运行稳定可靠。本文的研究结果对重频脉冲磁场在低重频高功率微波领域的应用 具有一定的指导意义。论文研究内容主要包括以下几个方面： 1 分析了螺线管的设计 和直流磁场不同，脉冲磁场需要考虑微波管的涡流损耗问题。对产生重频脉 冲磁场的电路进行了简单分析。从产生重频脉冲磁场的电流表达式出发，根据涡 流损耗不能太大、品质因数要高和电容储能要小的原则，给出了脉冲磁场产生系 统的储能电容和充电电压的最优设计方法，最后举例说明了螺线管的设计方法。 2 对初级能源的功率电路部分进行了详细的研究 初级能源对螺线管重频脉冲放电，故要求其充电速度快，能量效率高。本文 首先通过对电容器充电方式的简单分析，得出了高频恒流充电充电速度快，能量 利用效率高。对几种常见的高频恒流充电方式进行了介绍和比较，选取了串联谐 振恒流充电电路作为初级能源的电路工作方式，再从理论上利用等效电路模型推 导了恒流充电电流的表达式。对设计的功率电路工作过程进行了理论分析，对电 路的相关参数进行了公式的推导，给出了电路参数的设计方法和设计实例。最后， 对变压器的设计进行了介绍。 3 对智能控制系统进行了介绍 对智能控制系统的工作原理进行了简单的分析，给出了硬件系统的工作框图 和软件流程图，对主控板上的主要子电路进行了介绍，讨论了抗干扰措施。随后 对触发板电路工作原理进行了分析，最后简单介绍了软件系统的设计。 4 重频脉冲磁场系统的实验研究 开展了初级能源的低压和高压的电路仿真和实验研究，最后研制出一台结构 紧凑的初级能源，输出电压在o 2 5 k v 范围内可调，最大平均输出功率达4 6 5 k w ， 达到了设计要求。利用第二章设计的螺线管，在储能电容c = 2 0 0 9 f 、充电电压 u = 1 3 5 0 v 时，能输出脉冲峰值电流7 5 0 a ，对应2 2 1 t 的导引磁场，重频1 0 h z 下 运行稳定可靠。 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t s o m er e p e t i t i v eh i g h - p o w e rm i c r o w a v es o u r c e sa d o p t i n gt h e r e p r a t ep u l s e d m a g n e t i cf i e l dc r nr e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h es o l e n o i d ，d e c r e a s eh e a t i n ga n d m a k ei tm o r ec o m p a c t i tc o n f o r m st om o d e mh i g h - p o w e rm i c r o w a v e ( h p m ) o f b e i n g c o m p a c ta n dr e p e t i t i v e n o w a d a y s ，r e p r a t ep u l s e dm a g n e t i cf i e l dh a sa t t r a c t e d e x t e n s i v ea t t e n t i o n i nt h i st h e s i s ，t h em e t h o dt od e s i g nr e p r a t ep u l s e dm a g n e t i cf i e l d s i so b t a i n e da n dap r i m a r ye n e r g ys o u r c ew h i c ht h ea v e r a g ep o w e rc a nr e a c h4 6 5 k wi s d e v e l o p e db a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s e s ，e n g i n e e r i n gd e s i g n sa n de x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n so ft h et h r e ek e ys u b s y s t e m s ：s o l e n o i dw h i c hc a l lp r o d u c em a g n e t i cf i e l d s ， p o w e rc i r c u i to fp r i m a r ye n e r g ys o u r c ea n di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rs y s t e m ( i c s ) b a s e d o ni t ，v v i mt h ed e s i g n e ds o l e n o i d ，t h em a g n e t i cf i e l d sc a nr e a c h2 21tw h i c hi sp e r f e c t f o rk a - b w o t h er e s e a r c hr e s u l t ss e tb a s i sf o rt h ew i d ea p p l i c a t i o no fr e p r a t ep u l s e d m a g n e t i cf i e l d st or e p e t i t i v eh p m t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni sp r e s e n t e da s f o l l o w s ： 1 1 ed e s i g no fs o l e n o i di sp r e s e n t e d p u l s e dm a g n e t i cf i e l dn e e d st ot a k et h ee d d yc u r r e n tl o s so fm i c r o m a v et u b ei n t o a c c o u n t ，s oi ti sd i f f e r e n tf r o mt h ed i r e c tc u r r e n tm a g n e t i cf i e l d s t h ec i r c u i tw h i c hc a l l o u t p u tr e p e t i t i v eh p mh a sb e e na n a l y z e d 刀圮p a p e rs t a r t e df r o mt h ee x p r e s s i o no f c u r r e n tw h i c hp r o d u c i n gt h ep u l s i n gm a g n e t i cf i e l d s ，n l ed e s i g ni sb a s e do nt h e f o l l o w i n gp r i n c i p l e ：t h ee d d yc u r r e n tl o s s ，c a p a c i t i v ee n e r g ys t o r ea n dc i r c u i te n e r g y c o n s u m p t i o nc o u l d n tb et o om o r e t h eo p t i m i z a t i o no ft h ec a p a c i t i v es t o r a g ea n di t s v o l t a g ef o rp u l s i n gm a g n e t i cf i e l d sp r o d u c i n gs y s t e ma r ed e s i g n e d a tl a s t ，t h ed e s i g n m e t h o do fs o l e n o i di sp r e s e n t e db ya ne x a m p l e 2 t h ep o w e rc i r c u i to fp r i m a r ye n e r g ys o u r c ei si n v e s t i g a t e di nd e t a i l p r i m a r ye n e r g ys o u r c ew h i c ha f f o r d se n e r g yf o rs o l e n o i ds h o u l dh a v ef a s tc h a r g i n g r a t ea n dh i g he f f i c i e n c y t h r e ef a m i l i a rc h a r g i n gm e t h o d sf o rc a p a c i t o ra r ea n a l y z e da n d d i s c u s s e d ，h i g hf r e q u e n c ya n dc o n s t a n tc i r c u i tc h a r g i n gm e t h o dw h i c hh a sf a s tr a t ea n d l l i g he f f i c i e n c yi ss u i t a b l ef o rt h ed e m a n d s e v e r a lh i 曲f r e q u e n c ya n dc o n s t a n tc i r c u i t c h a r g i n gm e t h o da r ep r e s e n t e da n dc o n t r a s t ，s e r i e sr e s o n a n tc o n s t a n tc u r r e n tc h a r g i n g c i r c u i ti ss e l e c t e df o rp r i m a r ye n e r g ys o u r c e c o n s t a n tc u r r e n te x p r e s s i o ni sd e d u c e d b y a l le q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lf o rs e r i e sr e s o n a n tt o p o l o g i e s t h em a i np o w e rc i r c u i th a s b e e na n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n dt h ec o r r e l a t i v ep a r a m e t e ro fc i r c u i ti sd e d u c e d t h e d e s i g nm e t h o do ft h ec i r c u i tp a r a m e t e ri sg i v e na n dad e s i g n e de x a m p l ei sp r e s e n t a t l a s t ，t h ed e s i g no fh i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e ri si n t r o d u c e ds i m p l y 3 t h ed e s i g no fl c si sp r e s e n t e d 1 1 1 ew o r k i n gp r i n c i p l eo fi c si s a n a l y z e da n dd i s c u s s e d 1 1 1 ef r a m e w o r kf o r h a r d w a r es y s t e ma n df l o wc h a r tf o rs o f t w a r ea r ep r e s e n t e d t h em a i nc h i p si nm a s t e r c o n t r o lp a n e la r ei n t r o d u c e ds i m p l y ，a n dt h ea n t i z i a m m i n gm e a s u r ei sd i s c u s s e di ns t r e s s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 t h e gr o f a n a l , z e d d e t a i l a tl a s tt h ed e s i g no fworkingp r i n c i p l eo ft r i g g e rc i r c m t i sa n a l y z e c t1 1 1o e t a l l a s t s o f t w a r es y s t e mi si n t r o d u c e ds i m p l y 4 t h ed e s i g n e dr h p ms y s t e mi se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t so fl o wv o l t a g ea n dh i g hv o l t a g eo np r i m a r ye n e r g y s o u r c eh a v eb e e nc o n d 【u c t e d ac o m p a c tp r i m a r ye n e r g ys o u r c ew i t ho u t p u tv o l t a g e 0 - 2 5 k va n da v e r a g ep o w e r4 6 5 k wi sd e v e l o p e d ，a n di ti se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d a c r o s sa2 0 0 肛fe n e r g ys t o r ec a p a c i t o ra n d1 3 5 0 vc h a r g i n gv o l t a g e ，a t1 0h zr e p e t i t i o n r a t e t h eo u t p u tc a nr e a c h7 5 0 ap e a kv a l u ep u l s e dc u r r e n tw h i c hc a l lb r i n g 2 21t l e a d i n gm a g n e t i cf i e l d s k e yw o r d s ：c o m p a c t n e s s ；r e p e t i t i o nr a t e ；p u l s e dm a g n e t i cf i e l d s ；e d d y c u r r e n tl o s s ；s e r i e sr e s o n a n t ；c o n s t a n tc u r r e n t ；p r i m a r ye n e r g ys o u r c e ；i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e rs y s t e m ( i c s ) 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1t o r c h1 高功率微波装置示意图2 图1 2s m 3 n 高功率微装置示意图2 图1 3 脉冲磁场的放电电路原理图6 图1 4 脉冲磁场的放电电流波形图。6 图1 5 直流磁场的放电电路原理图7 图1 6 直流磁场的放电电流波形图7 图1 7 重频脉冲磁场的放电电路原理图。8 图1 8 重频脉冲磁场的放电电流波形图8 图2 1 圆柱导体芯的涡流分布图1 1 图2 2 目c ) 与c 的关系1 3 图2 3 微波输出功率随轴向磁场变化关系1 4 图2 4 仿真模型图1 4 图2 5 磁场位型图l4 图2 6 电容储能与电容的关系1 6 图2 7 放电电流与时间的关系1 6 图2 8 单周期磁场随时间变化关系1 6 图2 9 螺线管实物图1 6 图3 1 初级能源电路框图1 8 图3 2 电容器恒压充电电路图1 8 图3 3 电容器谐振充电电路图l9 图3 4 电容器高频恒流充电电路图2 0 图3 5 恒压和高频恒流充电充电曲线对比2 0 图3 6 开关管开通和关断时的电压、电流波形示意图2 1 图3 7 零电流开关技术时电压、电流波形示意图2 2 图3 8 全桥变频充电方式电路图2 2 图3 9 基于b u c k 变换器恒流充电路图2 3 图3 1 0b u c k 变换器各处工作波形2 3 图3 1 1 串联谐振充电电路图。2 4 图3 1 2 串联谐振充电电路各处工作波形。2 5 图3 1 3 并联谐振充电电路图2 6 图3 1 4 c 谐振电路等效原理图2 7 图3 1 5 含变压器的c 谐振电路等效原理图一2 7 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 1 6 串联谐振电路等效原理图2 8 图3 1 7 忽略厶串联谐振电路等效原理图2 9 图3 1 8 重频脉冲磁场系统初级能源电路结构图3 0 图3 1 9 模式1 等效电路图3 1 图3 2 0 模式2 等效电路图3l 图3 21 理想情况电路仿真图3 4 图3 2 2 功率电路仿真输出结果图。3 5 图3 2 3 变压器实物图4 0 图3 2 4 变压器定标输出结果图。4 1 图4 1 主控板的硬件工作流程图4 3 图4 2 数模转换实际电路图4 4 图4 3 模拟信号隔离实际电路图4 5 图4 4h c n r 2 0 0 典型工作电路原理图4 6 图4 5 看门狗和电源监测实际电路图4 6 图4 6i v i a x 2 3 2 电平转换实际电路图4 7 图4 7 触发脉冲产生板实际电路图4 8 图4 8 单片机输出的触发信号4 9 图4 9 经隔离变压器后输出的触发信号4 9 图4 1 0 充电控制程序流程图5 0 图5 1 单相电整流波形图5l 图5 2 三相电整流波形图5 l 图5 3 滤波电感上的工作电流5 2 图5 4 单相市电输入电路模型图5 3 图5 5 单相市电输入电路仿真电压输出5 4 图5 , 6 大电感滤波方案的电路模型图5 5 图5 7 电感限流方案仿真电压输出波形5 5 图5 8 电容限流方案电压输出波形5 6 图5 9 电容限流方案滤波电容上电流波形5 6 图5 1 0 考虑电阻损耗时的电路模型图5 6 图5 1 1 考虑电阻损耗仿真电压输出波形一5 7 图5 1 2 电阻分压器实物图5 8 图5 1 3 电阻分压器标定图一5 8 图5 1 4 功率电路实物图5 8 图5 1 5 智能控制电路实物图一5 9 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 163 6 v 直流源供电输出电压波形5 9 图5 175 0 v 交流供电输出电压波形5 9 图5 1 8 输出2 k v 时充电电压波形6 0 图5 1 9 输出2 5 k v 时充电电压波形6 0 图5 2 0 谐振电流波形6 0 图5 2 l 充电后期充电电流波形6 0 图5 2 2 回路稳定工作一个周期电压仿真图。6 2 图5 2 3 回路稳定工作一个周期电流仿真图6 2 图5 2 4 回路1 0 h z 重频下电压仿真图6 3 图5 2 5 回路1 0 h z 重频下电流仿真图6 3 图5 2 6 单次工作电压、电流波形6 3 图5 2 71 0 h z 重频下电压、电流波形。6 3 第v i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 螺线管仿真参数1 5 表3 1 初级能源电路设计的参数3 4 表3 2 初级能源电路输出的计算参数3 4 表3 3 各种磁性材料参数对比3 7 表4 1m a x 5 3 9 的输入数字量与输出电压关系4 4 表4 2 隔离电路输入输出电压实测数据4 6 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：璧盗重麴然过曼曼! 磁扬电逝丝巫究 学位论文储始一鱼：珲魄加哕锄月加日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 紧邃重题然独昱曼! 磁场皂湮酸婴究 学位论文作者签名： 垒二! ! 二缉 日期：加呻年，月加日 作者指导教师签名：二幽一 日期：砂矽年，月乃日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 高功率微波( h i g h p o w e rm i c r o w a v e ，h p m ) 技术是2 0 世纪7 0 年代随着脉冲 功率技术的发展而产生的一门新兴学科，是脉冲功率技术与等离子体物理及电真 空技术相结合的产物。科学研究对更高功率、更高能量、更高频率的微波需求推 动了这门学科的发展，使之成为备受关注的前沿交叉学科之一；许多重频h p m 源 需要导引磁场，所以永磁包装、超导磁场、直流磁场等受到了越来越多的关注。 本文研究的重频脉冲磁场作为重频高功率微波源的导引磁场，该磁场的初级能源 具有功耗低、发热量小、结构紧凑等优点，符合当代高功率微波装置朝紧凑化、 重频方向的发展要求，近年来在国内外受到了广泛关注。本章简要介绍了h p m 的 发展现状和导引磁场的研究现状，以及本论文的研究背景和研究内容。 1 1 高功率微波的导引磁场 1 1 1 高功率微波的定义和发展现状 微波技术的运用是起源于二战，由于迫切需要能够对敌机及舰船进行探测定 位，英国科学家发明的微波雷达，这为英军带来巨大的军事利益。从此，微波技 术得以迅猛发展。二战后，微波技术在电子对抗、导航与制导、通信等诸多军事、 民用及科学研究领域都得到了广泛的应用。随着其应用的发展，产生了对更高功 率、更高能量、更高频率的微波源的不断需求。在这一需求的带动下，从上世纪 七十年代起，逐步产生和发展了一门新兴边缘学科一高功率微波技术。 和其它学科相同，高功率微波的发展与其应用需求有着强烈的伴生关系。目 前，军事需求是高功率微波理论与技术发展的主要驱动力。美、俄、英等军事强 国为此制定了一系列详尽的研究与发展计划，并有一些大学、国家实验室及工业 企业参与，例如美国国防部资助、空军实验室( a i rf o r c eo f f i c eo fs c i e n t i f i c r e s e a r c h ，a f o s r ) 领导的“多学科大学研究计划( m u l t i d i s c i p l i n a r yu n i v e r s i t y r e s e a r c hi n i t i a t i v ep r o g r a m ，m u r i ) 便是其中重要的代表之一，俄罗斯科学院的强 流电子学研究所( i n s t i t u t eo fh i g hc u r r e n te l e c t r o n i c s ，i h c e ) 也积极参与这方面 的研究，并处于世界领先地位。 以往高功率微波大都是单次脉冲运行，其特点是要求单次脉冲能量相当大， 常达几十兆焦耳，甚至几百兆焦耳。冷战结束以后，民用的脉冲功率技术受到各 国的重视，正日益发展起来，如烟气治理中的脱硫脱硝、工业辐照加工、材料表 面处理、食品保鲜、消毒、电磁成形、岩石切割、体外震波碎石( 肾、胆结石) 技术、 激光、微波、闪光灯、医疗和工业中的x 射线发生器等等。这些民用脉冲功率技 第1 页 国防科学技术太举研究生院硕士学使比文 术大多部是重复频率运行，也带动了高功率微波重复频率方向发展。到目前为止， 高功率微波的发展已经走过了“单一功率追求”与单纯性新概念探索阶段，研究重点 已经转移到高功率、长脉冲以及高重复频率和多脉冲等方向上来1 2 4 。在重频运行 的高功率微波系统中比较有代表性的有：俄罗斯科学院大电流研究所( i n s t i t u t eo f h i g 1 c w a e n te l e c t r o n i c s , i h c e ) 研制的基于s i n u s 加速器的t o r c h 系列高功率微波 系统和俄罗斯叶卡捷琳堡电物理研究所( i n s t i t u t eo fe l e c ”o p h y s i c s ，1 e p ) 研制的基于 r a d a n 系列脉冲发生嚣s m 系列高功率微波系统，分别如图ii 和闰l2 所示。 图iit o 曲1 高功率微波装置示意图j 皇l12s m - 3 n 高功率微装置示意例 从实验平台的角度来讲，脉冲功率技术是h p m 技术的实验基础。从研究f i p m 器件的作用机理来讲，叉涉及到等离子体物理、相对论电子学以及微波电子学等 诸多学科。从实验技术和制造工艺来讲又涉及到真空电子学、高电压技术、材 料科学等诸多领域；另外，波束控制、超宽带电磁脉冲、空问功率合成以及h p m 与 物质的互作用等研究方向又将涉及众多交叉学科和技术。总之，h p m 技术是一个 多学科交叉、作用机理复杂的新兴研究方向。虢着其研究的逐步深入将会涉及 更多的学科与技术。国内在该方面的研究与国外相比还有很大的差距。 2 部分高功率微波源需要导引磁场 导引磁场技术是高功率微波技术一个关键分支技术。电子束是高功率微波器 件的撒励源，是高功率微波产生的能量来源。电子束流的传输及其规律对微波器 件的研究非常重要，柬波作用的基本原理是柬电子对电磁场做功，使微波获得能 量。固而高效率的束波转换，对电子束和微波器件的结构都提出了要求。在这过 程中磁场的导引和聚焦非常重要，由于存在着空间电荷力，在没有磁场导引的情 况下，外层电子是扩张的，而使柬厚度逐步增加；加了导引磁场以后，对于单个 束电子来说，它沿着磁力线螺旋式向前运动，就可以实现对电子束的导引和聚焦。 高功率微波源需要导引磁场来约束电子以提高微波的输出效率，故导引磁场作为 高功率微波技术一个关键分支技术受到人们的广泛关注它也是随着高功率微波 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 源朝高功率、重频和紧凑化的方向发展而向前发展的。 根据束波相互作用机制的不同，可将高功率微波器件分为： ( 1 ) 0 型( 平行场) 器件：外加磁场平行于器件的轴向，电子束沿外加磁场轴 向漂移，电磁波传播方向与外加磁场方向相同，主要包括相对论行波管、相对论 返波管，相对论速调管、相对论回旋管、各式契伦科夫器件和自由电子激光等。 ( 2 ) m 型( 正交场) 器件：外加电场和磁场互相垂直，电子在外加电磁场作用 下做e b 漂移运动，即电子漂移方向垂直于外加电场和磁场，主要包括相对论磁 控管、磁绝缘振荡器等。 ( 3 ) 空间电荷型器件：利用电子束自身的空间电荷效应产生的虚阴极振荡及由 此引起的反射电子的往返振荡来产生微波，如各种类型的虚阴极振荡器等 ( 4 ) 渡越时间效应器件：利用电子在有限渡越角的间隙中的渡越时间不稳定性 产生微波。 通常空间电荷型器件结构简单，不需要外加磁场，是其束波转换效率较低， 频率不单一。对于m 型( 正交场) 器件，正交的含义就是指直流电场和磁场相互 垂直，电子束横过相互垂直的磁场和电场实现e b 漂移。它们一般属于低阻抗 器件( 电流大) ，输入的直流功率高，因此可以获得较高的功率。典型的器件有 相对论磁控管( r e l a t i v i s t i cm a g n e t r o n ) 和磁绝缘线振荡器( m a g n e t i c a l l yi n s u l a t e d l i n eo s c i l l a t o r , m i l o ) 。 磁控管发明的较早，而且磁控管技术目前已经比较成熟，它由在轴向磁场中 同轴放置的圆柱形阴极和阳极构成。工作时，阴阳极间加上电压后形成的径向电 场与轴向磁场正交，由阴极发射的电子在正交电磁场作用下角向漂移，普通的磁 控管一般采用永磁场，而相对论磁控管由于所需磁场强度高，工作空间大，一般 采用脉冲磁场。相对论磁控管的一个突出优点是可调谐性，p i 公司研制了可调谐 相对论磁控管，采用机械调谐的1 0 腔旭日型结构达到了3 3 的调谐范围；在外加 磁场要求较低时( 可由永磁体提供) ，其效率优势比较明显，我国电子科技大学 研制了s 波段永磁包装相对论磁控管，在s 波段获得了4 3 0 m w 的输出功率，装 置重约7 0 k g ，研究表明功率还有提升的潜力；但在电功率要求较严，输出功率要 求高的场合其效率较低，大大限制了它的实际运用。 磁绝缘线振荡器是近二十年来发展起来的新型h p m 器件，由于无需外加磁场， 具有结构小，设计容易等优点，得到了美国，英国，俄罗斯等研究人员的高度重 视，并发展成为最具潜力的h p m 源。它是利用阴极端面发射出来的电子向阳极运 动来产生一个围绕阴极杆的角向磁场( 环形磁场) ，从而对阴极杆侧向发射电流 起磁绝缘作用。它的优点为：不需要外加磁场，其自绝缘机制杜绝或减弱了阴阳 极之间的静电击穿，由于无需庞大、笨重、耗能的外加导引磁场，使得大横截面 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的二极管设计更加容易，电子发射与束波相互作用区合二为一，机构更紧凑。其 最大的不足是相当一部分输入电功率用来产生聚束磁场，限制了整管效率的提高， 由于大电流，阴极烧蚀严重，其重频也难以实现。 对于o 型器件，外加磁场平行于器件的轴向，电子束沿外加磁场轴向漂移。 在o 型器件中，比较常见的就是o 型契仑柯夫器件，它包括返波振荡器( b w o ) 、 行波管( t w t ) 、速调管和多波契仑柯夫振荡器( m w c g ) 等，它们的工作原理 基本相同，同时都需要外加轴向导引磁场，只是速调管中电子束的群集过程和换 能过程基本是分开的。相对论返波振荡器就是一种比较有代表性的o 型契仑柯夫 器件，产生微波的相速向前，而群速( 即微波能量) 向后传播；在电子入口处设 置截止颈或谐振腔，把反向传播的微波反射回来，再输出。它具有高功率、高效 率、适合重复频率工作等特点，是目前最具有竞争力的一种重频高功率微波源。 相对论返波振荡器工作一般要求较强的外加磁场，一般大于2 t 。普通的相对 论返波振荡器一般工作在比较高的脉冲磁场下，而脉冲磁场的重复频率比较低， 制约了相对论返波振荡器的重复频率。以往，在外加磁场下实现重复频率工作， 主要依赖超导磁体，超导磁场系统庞大复杂，费用昂贵，因此可以通过提高脉冲 磁场的重复频率来解决这个问题。同时降低甚至不加导引磁场成为了返波振荡器 的重要发展方向之一，俄罗斯的研究人员的研究结果表明，带有b r a g g 反射腔的 相对论返波振荡器能够在较低的外加磁场下工作。近年来，有人尝试了无外加导 引磁场b w o 的研究，主要是采用向慢波结构区注入等离子体的方法，例如：d m g o e b e l 等人研制的无引导磁场等离子体填充的返波振荡器，他们采用3 0 2 0 0 k v ， 5 0 1 0 0 0 a 的电子束产生了2 0 m w 的微波输出。但是这种方案很难实现重频运行， 限制了该方案的进一步发展。 综上所述，相对论磁控管和o 型契仑柯夫器件均需较强的外加导引磁场，对 导引磁场的深入细致的研究对高功率微波技术的快速发展有着极为重要的意义。 1 1 3 导引磁场技术综述 高功率微波源都是通过电子束与波的相互作用把电子束的能量转化为高频电 磁波能量来产生高功率微波的，因此电子束的发射和传输规律对微波的输出功率 非常重要。随着人们对高功率微波源的深入研究，人们对于电子束的要求越来越 高。具体来说，为保证微波源中束波充分作用，对二极管发射的电子束质量要求 是：能散度要低，发射度小，亮度高，实际操作中还要求在能够满足稳定传输的 同时，实心束有较好的均匀性，空心电子束有较好的层流性、波动小等等。然而， 实际的束不可能完全达到以上标准。主要是受限制于高功率二极管结构、脉冲电 压波形、外加磁场分布以及强流电子束的空间电荷效应。其中导引磁场的强度及 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 分布对强流电子束的产生及传输起着特别重要的作用。 从电子束运动的理论分析得知，由于存在着空间电荷力，在没有磁场导引的 情况下，电子束外层是扩张的；加了导引磁场以后，可以对电子束加以控制，对 于单个束电子来说，它沿着磁场线螺旋式向前运动，然而对于电子束来说，虽然 作用力得到平衡，但是束包络会发生波动，在束波作用过程中，这种波动可能会 被破坏，使束厚度增加，电子束质量下降。通过调研可以得到，采用适当的外加 磁场大小和适当分布的磁场位形可以控制电子束的波动，包括电子束的径向动量 和径向波动幅值等电子束参量，并得到最大的传输电流。增加外加磁场的强度可 以有效地控制电子束的波动，并减小电子束的径向速度分量，从而使电子束包络 的径向速度减小。但是并非磁场强度越高越好，到达平衡界限之后，磁场强度对 束流外缘电子的径向运动并无较大影响。采用适当分布的磁场位形也可以有效地 控制电子束的波动，根据对薄环形电子束在磁场中的运动分析发现，波导中薄环 形电子束的波动幅度主要与束电子的初始状态有关，而束电子的初始状态与无箔 二极管区域内的磁场位型有关。因此，在二极管区，利用合适的磁场位形可以控 制电子束的波动。所以，提供外加纵向导引磁场可以提高电子束的质量，增强束 波相互作用，从而提高微波的输出功率1 5 吲。导引磁场对电子束的约束作用主要包 括两个方面：一是能维持电子束平衡的最低磁场；二是通过磁场来控制电子束的 波动，使电子束尽可能少的打在慢波结构上。电子束必须在足够强度的纵向磁场 导引下沿慢波结构表面传输，进而与之相互作用产生较高功率的微波输出。 1 2 常见导引磁场简介 在高功率微波源中，外加导引磁场的目的主要是增强束波相互作用，提高微 波的输出功率。目前国内外对导引磁场已经有比较深入的研究，按磁场的性质可 归纳为五种情况，下面分别对其进行简单介绍。对于传统的单次运行的h p m 源一 般利用普通三c 电路产生传统的脉冲磁场，而对于重频运行的h p m 源提供外加磁 场的方式有四种：一是采用超导磁体产生稳恒磁场；二是采用永磁体产生永磁磁 场；三是利用脉宽调制技术，通过控制储能较大的电容组对励磁线圈放电，使电 流在一段时间内维持恒定，从而产生直流磁场( 准稳恒磁场) ；四是采用储能较 小电容器对励磁线圈放电产生重频脉冲磁场。 1 2 1 传统的脉冲磁场 该方法比较简单，利用电容器对励磁线圈谐振放电产生脉冲磁场，在器件单 脉冲运行的情况下只需要使脉冲磁场达到最大值的时刻与器件工作的时刻同步即 可，但由于通常放电电流波形为脉冲形式，因此所产生的磁场不存在稳定值，无 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 法使h p m 源在放电时间范围内重频工作。 2 k 0 ol2 r s 图1 3 脉冲磁场的放电电路原理图图1 4 脉冲磁场的放电电流波形图 产生脉冲磁场的放电电路原理图如图1 3 所示。充电设备一般采用方法比较简 单的恒压充电方式充电；储能电容c 在被充电到预定的电压后等待放电开关管闭 合来为螺线管谐振放电；开关管现在一般采用可控大功率半导体开关器件( 如晶 闸管) ；控制系统主要是控制放电开关管导通时间以保证脉冲峰值电流和电子束 同步。放电电流波形如图1 4 所示。 该方式原理比较简单，实现起来比较容易，在螺线管固定的情况下，通过改 变充电电压和储能电容的大小可以调节放电电流的大小，从而达到控制磁场大小 的目的，故在该方式下螺线管不用做的很大，同时也减小了线圈电阻的大小；由 于是单次运行，故不用考虑螺线管的发热问题。该方式最大的问题就是它不适合 于重频运行的高功率微波源。 1 2 2 超导磁场 超导磁场是由处于超低温度下的精密超导线圈产生的，它是随着低温超导技 术的发展而发展起来的。利用超导材料线圈绕制的超导磁体由于提供了稳恒磁场， 高功率微波器件重复频率运行持续时间不受限制。它的优点是超导磁体没有焦耳 热损耗，它的损耗只消耗在电流引线和为保持磁体处在液氮温度下所需的液化器 或制冷机的电源上；它可以在大空间获得比常规磁体和螺线管高得多的磁场，一 般带铁芯的常规磁体，磁场强度不超过2 t ，目前超导磁体已可在数米直径内产生 1 0 t 以上的磁场，所以它适用于要求磁场具有高强度、均匀性、高稳定性和高梯 度性的场合。但它的技术复杂、成本较高；一旦超导磁场设计好之后磁场分布固 定，其大小也不易调节；由于超导材料只能在临界温度以下工作，因此它必须与 复杂的低温工程技术相配合使用。目前，我国的超导临界温度己提高到零下1 2 0 即1 5 3 k 左右，但它依然需要很强的冷却系统，所以方式还没有广泛地应用于h p m 系统中。如果超导临界温度有进一步的突破，超导技术必定会在h p m 领域里广泛 应用。 第6 页， 嗣防科学技术人学研究生院硕十学位论文 123 永磁磁场 利用永磁磁体代替线圈磁场或