行波管周期永磁聚焦系统的设计_图文

1、研究与设计行波管周期永磁聚焦系统的设计蔡竺吟1,吕国强1,杨蕾1,贺兆昌2(1.合肥工业大学仪器仪表学院,安徽合肥230009;2.安徽华东光电技术研究所,安徽芜湖241000Design of Periodic Permanent Magnetic for T raveling2W ave TubesCA I Zhu2yin1,LV Guo2qiang1,YAN G Lei1,HE Zhao2chang2(1.College of Inst rumentation,Hef ei U niversity of Technology,Hef ei230009,China;2.East Photo

2、 Elect ricity Academe of A nhui,W uhu241000,ChinaAbstract:In this paper the basic principles of periodic permanent magnetic of traveling2wave tubes have been introduced.The method of designing a proper magnetic system for TWT by use of an assistant program package based on the principles has also pr

3、esented.With this method we can calculate and simulate the periodic permanent magnetic of a Ku band low power TWTs.The results of design and simulation fit quit well with the experiments,so it can greatly reduce the period of design and adjust for periodic permanent magnetic of TWTs.K ey w ords:Trav

4、eling2wave tube;Periodic permanent magnetic;CAD;Program package摘要:论述了行波管周期永磁聚焦系统的基本原理及在此基础上利用现有的辅助设计软件包为行波管设计合适的磁聚焦系统的方法。利用该设计方法计算与模拟一个Ku波段小功率行波管的周期磁场,得到的结果与试验结果非常一致。这样就可以大大减少行波管磁聚焦系统的设计与调整周期。关键词:行波管;周期永磁聚焦;计算机辅助设计;软件包中图分类号:TN124文献标识码:A文章编号:1002-8935(200602-0025-03周期永磁聚焦系统具有体积小、重量轻、本身不消耗功率、杂散磁场小、使用方

5、便等优点,因此广泛地应用于行波管电子注聚焦。周期磁聚焦系统是由一个个轴向磁化相斥排列的磁环和由软铁或高导磁材料制成的极靴排列而成,其轴向磁场分布呈周期性变化,对应极靴中心处场强为零,磁环中心处场强最大或最小。由于聚焦的电子注空间电荷力是在一个周期内平均地得到补偿,因此电子注始终存在脉动,所以周期永磁聚焦系统设计的主要任务就是根据电子注参数和高频系统要求合理确定磁系统的材料和结构尺寸,以得到合适的磁场分布,使电子脉动最小1,2。通过在辅助设计软件包中建立电子光学模型进行计算机模拟,可以计算聚焦系统在空间产生的磁场分布和电子注的运行状态,研究电子注的聚焦性能和传输特性,为聚焦系统设计方案的验证和优

6、化减少系统试验测试时间和经费开销,实现聚焦系统的“一次成功”奠定良好的基础。1行波管周期永磁聚焦系统原理聚焦从完全磁屏蔽的阴极射出的电子注所需的轴向磁感应强度为:B b=8330r bI04U0式中:B b为布里渊流磁感应强度;I0为电子注电流;U0为电子注电压;r b为电子注半径。由于高频散焦和阳极孔效应等因素的影响,因此实际所需的轴向磁感应强度为3:B z0=(1.52B b使用线包产生行波管所需磁场的缺点是体积大、功耗高,不利于行波管的小型化设计,所以周期永磁聚焦以其体积小、重量轻、本身不消耗功率等优点广泛使用于行波管中。周期磁聚焦系统是由一个个轴向磁化相斥排列的磁环和由软铁或高导磁材料

7、制成的极靴排列而成。如图1所示单个磁环的磁场轴向分布是脉冲状的,中间有一个主峰,两旁则有两个对称的反峰。如果把两个磁环重迭放置,合成的VACUUM ELECTRONICS真空电子技术2006-02µ磁场的轴向分布曲线可以用两个单磁环的磁场分布叠加起来(图1(a 为单环不加极靴,(b 为异极相对,(c 为同极相对,(d 为组成的周期场,场值提高25%。可见当异极相对时,峰值降低;而同极相对时,峰值增加。在磁环中间夹一块纯铁制成的圆形铁片极靴,它的尺才和磁环差不多。由于纯铁的导磁率很高,因此,极靴两边磁环产生的磁力线就不会“顶牛”, 而且可以很容易地从共用的极靴当中穿过并进入磁环的内部空

8、间。这样,两块磁环就通过极靴紧密地排列在一起了,所以周期磁场的峰值要比单个磁环时大很多。图1磁环磁场的分布周期永磁聚焦是周期性地对电子注加一个较强的会聚力。这个力不仅能抵消空间电荷的发散力,而且能使电子得到一个向轴的加速度, 使电子从原来的离轴运动变成向轴运动。而在出了这个区域后,磁场的会聚力不足以抵消空间电荷发散力,电子得到一个离轴的径向加速度,它逐渐使电子从强磁场区得到的向轴加速度度减小,最后变成离轴运动,直到进入下一个周期的强磁场区为止。图2周期永磁聚焦系统结构理论分析表明:周期永磁聚焦系统的磁场沿轴分布为余弦分布时最有利。轴向磁场的分布为:B z =B z 0cos (2Z/L ,则边

9、缘电子轨迹方程为:d 2d Z2+(1+cos 4L Z -2k3-=0式中:B z 0为轴上磁感应强度;Z 为沿轴坐标;L 为周期磁场的周期;=r/r 0,为归一化电子注半径;r 0为电子注平均半径(mm ;r 为电子注半径(mm ;=2.8×10-6B z 0L 2/U 0,为磁场参量,用于表征磁场强弱;=1.53×103I 0U 3/20L 2r 02=1.53×103P L 2r 02,为空间电荷参量,用于表征电子注空间电荷的强弱;p =3.592×10-2U 3/40/I 1/20,为等离子体波长。该方程为非奇次马修方程,它有两个特点:它不可能

10、有等于常数的解,即周期永磁聚焦不可能得到完全平滑的电子注,电子注总是脉动的,最佳的设计就是要在现有的条件下使脉动最小;这个方程在某些值时存在不稳定区,即若磁场峰值、周期、阴极处磁场强度和空间电荷密度选得不当,会使电子注不能保持稳定,从而使流通变得很坏。为了减小脉动,应尽量减小周期L ,实际上如果能使p /L >3,则脉动已足够小3,4。2周期磁场设计与模拟聚焦系统的优劣可以从下面几个方面判断:电流通过率、消耗能量的大小、体积、重量等。阴极电流等于收集极、螺旋线电流和阳极电流之和,在阳极截获电流为0的情况下,电流通过率为:=I c /(I c +I h ,通常在90%95%以上(I c 为

11、收集极电流,I h 为螺旋线电流5。在已知电子注电流I 0,电子注电压U 0,电子注半径r b 后(这些参数由互作用计算提供,根据最小脉动条件,初步选择周期磁场的峰值与周期后,通过辅助设计软件包建立电子飞行通道模型,模拟电子注的聚焦及传输情况:该软件包提供预处理程序,用于对电子注飞行通道的形状及电压进行设置,并需要设置周期磁场的参数包括磁场的类型、开始坐标、峰值,周期等。计算的结果文件包括数字文件与图形文件,可得到飞行通道中的磁场分布、电子注的传输状况。如果聚焦情况不理想,电子注打到飞行通道上,软件使用电子沉降功率显示,可以得到电子沉降的坐标及功率值,从而计算出电子注的流通率。同时,由于电子枪

12、的像差、热速度效应、栅网透镜效应等因素的影响,电子注通常是非层流性的,阴极温度和阳极口发散效应将使电子注进入磁场时具有初始热速度和横向扰动。考虑到电子枪的这些影响,可在软件包前处理程序中设置理想发射面代替电子枪的电子注,观察电子注的情况,选定周期磁场的峰值与周期;然后再将电子枪的计算结果调入飞行通道,真空电子技术VACUUM ELECTRONICSµ2006-02 图3 电子飞行通道电子沉降功率图4飞行通道电子注轨迹图此时的电子注受热初速的影响,传输情况将有很大改变,如果电子枪和飞行通道的过渡区设计不合理将导致电子沉降严重,流通率明显下降,所以调整的重点与难点应该放在过渡区的匹配上。

13、所谓匹配实质上就是要使电子注通过过渡区后,以合适的半径与轴平行地注入周期场的最大值处,显然,过渡区的磁场分布并不是唯一的,通常是使第一个峰值磁场强度调整在周期场峰值的50%80%,而电子注腰的位置则在第一个峰值场的位置稍前一些(靠枪区一侧,如果枪的射程较短时,应使磁场的第一个峰值尽可能靠近阳极。这时相对位置即使变化十分之几毫米,都会使通过率发生很大变化3。过渡区设计合理,电子注的脉动值就可以保持在最小值。过渡区的磁场各不相同,可以在飞行通道中可以设置磁场的表格,精确地设计过渡区的磁场分布。飞行通道确定周期磁场的峰值与周期后(包括过渡区,确定磁系统的几何尺寸,利用辅助设计软件包中的电子光学2磁场

14、设计部分建立磁聚焦系统的模型,模拟磁场的分布。周期永磁聚焦系统通常使用钐钴(SmCo 磁铁材料,因为钐钴永磁具有高的磁能积和高的矫顽力,它的磁性能优于铝镍钴(Al 2NiCo 永磁、铁氧体永磁,如SmCo5的最大磁能积 (B H max 大于116×105TA/m ,(是AlNiCo8永磁的3倍、铁氧体永磁(Y40的8倍,H c 大于516×105A/m ,B r 大于017T ,采用轴向充磁后,其峰值磁感应强度可达013T 以上6,并且其退磁曲线近似直线,有利于磁场的设计。模拟一个Ku 波段小功率行波管的周期磁场如图5所示 。图5磁系统磁场分布图3结论利用现有的辅助设计软

15、件计算并模拟了一个Ku 波段小功率行波管的周期永磁聚焦系统,计算与模拟得到的结果与实测结果相比,B z0误差一般在10%之内,可以满足设计的要求,误差的主要来源是设计时用以计算的磁性材料的退磁曲线与实际的退磁曲线不一致及终端效应,过渡区、输入输出区域及收集极再聚焦区域的磁环还需要在模拟结构的基础上加以实验调整。这样就大大减少行波管磁聚焦系统的设计与调整周期,为实现行波管磁聚焦系统的“一次成功”奠定良好的基础。参考文献1廖平,行波管电子光学系统CAD 技术研究C .博士论文,电子科技大学物理电子学院,2004.2廖平.周期永磁聚焦电子注性能计算机模拟J .强激光与粒子束,2004,(1.3电子管设计手册编辑委员会.中小功率行波管设计手册M .1976.4电子管设计手册编辑委员会.微波管电子光学系统设计手册M .1981.5Michall E Read.Design of a G irded Gun and PPM 2Focus 2ing Structure for a High 2Power Sheet Electron Beam J .