低速度零散的双阳极磁控注入电子枪设计

根据0.14 THz共焦波导回旋行波管对电子枪的要求,完成了双阳极磁控注入电子枪的设计。使用PIC软件对理论设计得到的结构参数进行了模拟优化,最终得到该枪的电子注横纵速度比为0.75,纵向速度零散1.33%。讨论了电极形状、阴极磁场、控制极电压及发射电流对电子注性能的影响,结果表明,设计过程中应对它们进行充分的优化。     

双注磁控注入电子枪

为了增加回旋管的功率,采用双注磁控注入电子枪产生相对论电子注。与双阳极磁控注入电子枪相比,双注磁控注入电子枪产生双束电子注,在不影响电子注质量的基础上,增加电子枪的电流;电子枪产生相同电流时,双注磁控注入电子枪电子注电流小,电子注电子之间的空间电荷效应小,能够降低电子注的速度零散,提高电子注的质量。采用MAGIC软件数值模拟双注磁控注入电子枪,设计出一支大束流、低速度零散的双注磁控注入电子枪。     

8 mm二次谐波回旋速调管放大器双阳极磁控注入电子枪的设计

 计算了8 mm二次谐波回旋速调管双阳极电子枪的设计参数，根据这些参数，采用EGUN软件进行模拟和优化，设计出了一只双阳极磁控注入电子枪，该枪的电子束纵横速度比为1.45，速度零散为5.4%，并讨论了电极形状、磁场分布、电流、控制极电压和第二阳极电压对电子注性能的影响，结果发现电子注对这些影响因子非常敏感，设计中应对它们进行充分优化。     

双阳极磁控注入枪设计参数对其性能的影响分析

 对34GHz基波回旋管双阳极磁控注入枪的优化做了详细的研究和计算，数值模拟了阳极电压、注电流、枪体尺寸加工误差、外加直流磁场等因素对电子枪的影响。模拟结果表明：增大阳极电压不但可以提高速度比，而且可以降低横向速度零散。磁场压缩比减小，使电子注具有最小速度零散的电流值增大；同时，电子注的速度比降低，最小横向速度零散值也增大。必须慎重选择阳极形状，以提高电子枪的性能并保证电子注的稳定性；同时，还发现由于阳极结构的变化导致阴极电场分布的变化，使电子注的注电流在各因子变化过程中出现了微小的扰动。减小Bc可以增大电子注的速度比，还可以减小电子注的横向速度零散，但是当电子注的速度比增大到一定值时，电子注的性能就会变得不太稳定。     

回旋管单阳极电子枪计算机辅助设计

 根据回旋管对电子枪的要求，采用综合法和分析法设计了该单阳极磁控注入电子枪。编制了一套大型的计算程序，利用计算机辅助设计，给出了电极形状、电子轨迹与电子注参量。计算表明，这种电子枪具有速度零散小、层流性较好、体积小等特点。该枪已用于制管实验中。由热测实验表明，它具有明显的优点，并获得了127kW的峰值功率和超过10%的效率。     

W波段扩展互作用速调管电子光学系统

W波段扩展互作用速调管电子光学系统由皮尔斯电子枪与均匀永磁聚焦系统组成,用于电子注的产生与传输。利用Vaughan迭代综合法及数值模拟优化设计了皮尔斯电子枪,并按照电子注传输特性要求研制了均匀永磁聚焦结构。根据电子光学系统的三维模拟,导流系数0.21μP,注电流大于0.5A,注平均半径小于0.3mm,射程大于11mm。永磁聚焦磁场约0.33T,传输距离大于50mm,电子注通过率达到100%。电子枪与聚焦系统已加工完毕并通过测试,技术指标满足要求。     

毫米波速调管电子光学系统的研究

电子光学系统是毫米波速调管长寿命和整管性能实现的关键,毫米波速调管零件尺寸较小,为了在Ka波段和W波段实现千瓦量级的输出功率,要求具有高的电子注通过率及低的阴极负荷。对Ka波段和W波段电子光学系统特性进行了分析,确定了Ka波段10 kW分布作用速调管和W波段1 kW分布作用速调管电子光学系统的设计方案,利用软件对电子枪和聚焦系统的结构进行计算,并采用CST仿真软件对设计的电子枪发射的电子注在聚焦磁场中的状态进行优化。设计出的Ka波段速调管电子光学系统,电子枪工作电压26 kV,发射电流2 A,互作用区长度30 mm,磁场强度大于0.6 T,流通达到100%。设计的W波段速调管电子光学系统,电子枪工作电压17 kV,电流0.65 A,互作用区长度20 mm,磁场大于0.9 T,流通达到100%。已制成Ka波段速调管和W波段速调管,设计的电子光学系统能够满足速调管工程化需求。     

8 mm三次谐波潘尼管大回旋电子枪设计

根据现有磁体条件和工艺设计了一过渡区较长的倒向磁场系统,其主磁场为0.396 T,反向磁场为-0.033 T,并给出了一种实用8 mm三次谐波潘尼管电子枪的设计结果。该大回旋电子枪工作在43.5 kV,1.45 A下,阴极可置于轴向磁场幅值渐减区域。该结构电子枪不追求在通过反转点之前形成薄的环形电子束,不利用突变倒向磁场,不需要刻意控制磁力线与电子注包络走向的一致性,显著降低了调试的难度和要求。最终优化所得电子注的纵向速度零散为4.78%,偏心率为7.18%,速度比高达2.2,而速度比的零散仅为4.88%,满足三次谐波潘尼管的要求。经大信号模拟计算,在该电子枪驱动下,潘尼管器件功率可达31.9 kW,效率高达49.4%,总体参量仍具有吸引力且建立在可实现的电子光学系统基础上。     

全三维55GHz双阳极磁控注入式电子枪数值模拟

根据绝热压缩和角动量守恒理论对55GHz双阳极磁控式注入枪进行了初始参数的设计,并利用自主研发的三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟,通过改变阴极半径、电子注电流、阴极磁场等参数来分析其对磁控注入式电子枪输出结果的影响。最终通过优化参数和综合因素的考虑,得到了横纵速度比为1.44、最大速度零散为5.8%的高性能电子束,能够很好满足55GHz回旋振荡管对电子束的要求。     

高电流密度圆柱状电子光学系统设计

设计了高电流密度圆柱状电子枪,并分析了枪体参数对电子注品质的影响;运用径向力平衡理论计算了聚焦磁场.三维模拟软件CSTPARTICLESTUDIO模拟显示,在枪体电极和空间电荷形成的静电场,以及聚焦磁场作用下,电子呈角向先变速后匀速螺旋状运动,其旋转半径始终与出射阴极面时的半径相同,从而在枪区和互作用通道内维持了注包络水平.模拟结果与设计理论相符.注平均电流密度达到24·4A/cm2,层流性良好,填充因子76·7%,流通率100%.     

170 GHz回旋管大束流双阳极磁控注入电子枪的分析及设计

 基于绝热压缩原理和强流电子光学理论,设计了一只170 GHz回旋管双阳极磁控注入电子枪,经过理论分析及计算,采用仿真软件进行模拟和优化,最终得到的电子枪的电子注速度比为1.31,横向速度零散度为3.5%,纵向速度零散度为6.1%,束电流为51 A。讨论了阴极磁场、控制阳极电压和第二阳极电压等因素对电子注性能的影响,发现电子注的速度比和速度零散度对这些影响因子的变化都非常敏感:随着阴极磁场的增大,电子注的速度比减小,纵向速度零散度先增大后减小,横向速度零散度先减小后增大;阳极角越接近阴极倾角,纵向速度零散度越小;阳极角向着减小阴阳极间距的方向变化时横向速度零散度变小;增大第一阳极电压可以增大电子注的速度比和电子注的速度零散度。在两阳极电压不变的情况下,增大阴阳极之间的距离会使电子注的速度零散度和电子注的速度比减小。     

A 35-GHz low-voltage third-harmonic gyrotron with a permanent magnet system

A systematic theoretical and experimental study on a 35-GHz 45-kV third-harmonic gyrotron with a permanent magnet system is presented in this paper. A complex cavity with gradual transition and a diode magnetron injection gun (MIG) are employed in the gyrotron. A self-consistent field nonlinear theoretical investigation and numerical simulation for electron beam interaction with RF fields are given. The diode MIG is simulated numerically utilizing our code in detail. The permanent magnet system provided the maximum axial magnetic field of about 4.5 kG in the cavity region of the gyrotron. The Ka band third-harmonic complex cavity gyrotron with a permanent magnet system has been designed, constructed, and tested. A pulse output power of 147.3 kW was obtained at a beam voltage of 45 kV with beam current of 32.2 A, corresponding to an efficiency of 10.2%.     

双阳极回旋管磁控注入电子枪设计

对真实磁场进行拟合,根据电子光学原理以及绝热压缩理论,运用EGUN软件,设计了工作模式为TE34,19的170 GHz回旋管双阳极磁控注入电子枪。最终得到的电子注速度比约为1.3,速度零散小于3%。分析了调节磁场位置、阴阳极间距、阳极间距等因素对电子注性能的影响。结果表明:电子注的速度比和速度零散对于这些影响因子的变化比较敏感,随着阴阳极间距以及阳极间距的增加,速度比逐渐减小,速度零散先减小后增大。设计的双阳极电子枪已应用于整管实验中。     

Improvement of the helical electron beam quality and the gyrotron efficiency by controlling the electric field distribution near a magnetron injection gun

A technique for controlling the electric field distribution near the cathode of a magnetron injection gun is developed. The feasibility of improving the quality of a helical electron beam by optimizing the electric field distribution in a pulsed 4-mm-wave gyrotron is studied theoretically and experimentally. Field distributions are obtained that minimize the electron velocity spread in the beam, coefficient of electron reflection from a magnetic mirror, and intensity of parasitic low-frequency oscillations. It is demonstrated that the gyrotron efficiency can be increased through a rise in the beam quality at the optimized electric field distribution.     

低速度零散会切电子枪的设计和数值仿真

根据拉格朗日方程对电子在平滑会切磁场中的径向波动与速度零散的关系进行讨论。运用Matlab,Magic软件相互结合的方法设计电子枪结构和磁场。用Matlab程序模拟单电子在给定电场、磁场中的运动,分析了单电子径向速度对零散的影响,并优化磁场分布。设计的磁场可以有效地减小单电子束径向速度,降低电子束速度零散。用Magic软件对电流为1 A、能量为30 keV的电子束在优化磁场中的运动进行仿真,得到的电子束速度比约为2,速度零散小于2.5%,轴向速度零散小于8.5%。     

0.6 THz三次谐波大回旋电子枪设计

基于会切磁场的理论模型,采用粒子模拟软件对0.6 THz三次谐波的太赫兹回旋管所需的大回旋电子光学系统进行研究。通过大量的模拟计算,分析讨论了不同参数对电子注的横向速度离散、纵向速度离散及横纵速度比的影响,优化了电子光学系统的性能参量,得到符合设计要求且具有工程实际应用的电子枪,该电子枪能够产生55 kV,1 A,横向速度离散为3.39%、纵向速度离散为7.10%、横纵速度比为1.53的大回旋电子注。     

单阳极磁控注入电子枪的设计

 该单阳极磁控注入电子枪是为8mm永磁包装回旋振荡管设计的。首先利用绝热理论和角动量守恒理论进行了初始的电极参数设计,其次讨论和选取数值计算方法,然后利用自编的程序进行数值计算和优化,同时讨论了空间电荷的影响和速度零散的改善,最终得到最佳的电极和电子注参数。该电子枪已经应用于制管实验中。     

94 GHz单阳极磁控注入式电子枪初始参数设计

根据94 GHz回旋振荡管对电子束的需求,在理论分析电子枪工作原理的基础上通过大量编程对94 GHz单阳极磁控注入式电子枪的一系列参数进行了初始设计, 基于粒子模拟软件CHIPIC开发了专门针对磁控注入式电子枪的计算模块并对其进行了数值模拟。模拟结果显示:该枪的电子束横纵速度比为1.42、速度零散为4.6%,符合回旋振荡管对电子注的要求。     

An Iron-Free Magnetron-Injection-Gun for a 28GHz, 200kW Gyroklystron Amplifier

A design study of a double-anode magnetron-injection-gun is performed to incorporate the electron gun into a high power 28GHz gyroklystron amplifier operating at 70kV and 8.2A. The electron gun is designed to be used in a tapered magnetic field in the cathode region produced from an iron-free superconducting magnet. An electron trajectory code predicts a beam axial velocity spread of 5.9% at = 1.5, 70kV, 8.2A and 10.4kG, which is a high quality electron beam suitable for the high gain, high efficiency, five-cavity gyroklystron amplifier. The successful design of the high quality electron gun is attributed to a longer gap between the modulating anode and the grounded anode compared with the case of the first 28GHz electron gun built with an iron enclosed electromagnet.     

大回旋电子束双磁会切电子枪的设计

 分析了Ka波段二次谐波回旋行波管双磁会切电子枪的理论模型，计算了电子枪的设计参数；采用EGUN软件进行模拟，设计出了产生大回旋电子束的双磁会切电子枪。该枪电压为70 kV，电流为3.35 A，电子束横纵速度比为1.62，速度零散为4.2%。给出了电子束速度比、速度零散沿轴线的分布，进而讨论了阳极电压对电子束性能的影响，结果表明选择适当的阳极电压和阴极磁场对得到好的电子束参量作用明显。