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。     

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%。     

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。     

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。     

220 GHz回旋管脉冲磁场系统和电子枪的设计与实验研究

 根据220 GHz回旋管的工作要求,设计了其所需的脉冲磁场系统与电子枪。脉冲磁场系统采用哑铃状结构,具有均匀区长、电阻小与电感小等优点,可以在较低电容与电压下获得更高的脉冲峰值磁场,并分析了其脉冲放电特性。电子枪采用双阳极磁控注入枪,用EGUN对其进行了设计优化,电子注纵横速度比为1.53,速度零散为3.1%。实验研究表明,脉冲磁场峰值强度达到8 T,电子注电流达到2 A,电子电流基本传输到靶片,控制极与阳极没有截获到电子,脉冲磁场系统与电子枪工作正常,达到设计要求。     

回旋速调管双阳极磁控注入电子枪的设计与优化

 根据8 mm回旋速调管放大器对双阳极磁控注入电子枪的要求,分析了电极形状、阳极电压、磁场、注电流对电子注横纵速度比和速度零散的影响,并进行了粒子模拟。分析表明：这些因素可归根为电场和磁场的作用,阴极附近高的电场有助于提高横纵速度比和降低速度零散;而高的磁场及低的磁压缩比将降低横纵速度比,但对速度零散影响无明显规律。在此基础上通过优化电极形状、磁场分布、电流、第一阳极电压和第二阳极电压,模拟并试制出工作电压65 kV、电流12 A、磁场1.4 T的双阳极电子枪,得到的横纵速度比值为1.4,横向速度零散为4.5%, 为8 mm回旋速调管提供了稳定高质量的电子注。     

回旋管双阳极磁控注入电子枪的设计

根据回旋管对电子枪的要求,设计了该双阳极磁控注入电子枪。给出了电极形状、电子轨迹与电子注参量。这种电子枪具有速度零散小、层流性较好、体积小等特点。     

170GHz兆瓦级同轴回旋振荡管的分析计算

回旋管是最有希望应用于正在实施的国际热核实验反应堆计划的微波源器件,然而研究设计符合要求的回旋管还存在很多困难需要解决.对170 GHz兆瓦级光滑同轴回旋管的注-波互作用进行了研究.选取模式谱相对稀疏的TE31,12作为工作模式,利用Matlab编制源程序,计算了同轴回旋管的注-波耦合系数、起振电流.在考虑电子速度零散、腔壁电阻率和单模近似的基础上,对光滑同轴谐振腔的优化设计和注-波互作用进行了仿真,给出了磁场、电压、电流和内导体倾角等参量与回旋管效率的关系.结果表明,电压和磁场对回旋管效率影响较大,电子速度零散对回旋管效率影响较小,因而可降低电子枪的设计要求.此外,优化内导体倾角和同轴谐振腔结构参数可提高注-波互作用效率,降低电子速度零散对互作用效率的影响,获得了约50%的电子效率及1.7 MW输出功率.     

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。     

回旋管双阳极磁控注入电子枪的设计

 根据回旋管对电子枪的要求,设计了该双阳极磁控注入电子枪。给出了电极形状、电子轨迹与电子注参量。这种电子枪具有速度零散小、层流性较好、体积小等特点。     

大回旋半径电子枪渐变线圈磁场的设计及优化

对大回旋半径电子枪的渐变线圈磁场进行了设计,采用3个线圈实现所需要的渐变磁场分布,增加了线圈磁场系统的调节能力,理论和计算机仿真的磁场分布结果符合得很好。将实现的渐变磁场分布同给定的静电场分布相结合,通过求解带电粒子的运动方程得到了粒子轨迹,在此基础上建立大回旋半径电子枪的3维粒子仿真模型,在给定静电场分布条件下分析了3个线圈安匝数对电子束参数的影响,完成了工作电压为40 kV、工作电流为1 A的大回旋半径电子枪的参数优化,得到了横纵速度比为1.4～2.5,纵向速度离散小于8%(横纵速度比为1.9时)的大回旋半径电子束。     

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。     

Theory, Design, and Operation of Large-Orbit High-Harmonic Gyroklystron Amplifiers

The high-harmonic gyroklystron is a compact RF amplifier which relies on the synchronous interaction between large-orbit axis-encircling electrons and high-order azimuthal cylindrical cavity TEn11 modes. Because of this unique structure, it offers the promise of moderate- to high-millimeter-wave output power. Experimental results for a fifth-harmonic two-cavity device are compared to both small-signal analytic theory and large-signal numerical calculations which assess gain, bandwidth, sensitivity to longitudinal velocity spread, self-oscillation, and saturation characteristics. Principal theoretical results include the transition to infinite gain as the start-oscillation current threshold is reached as well as the demonstration of the insensitivity of the small-signal gain to parallel velocity spread. The required high-energy rotating electron beam is provided through gyroresonant RF acceleration. To date, over 20 dB of small-signal gain has been achieved at 11.3 GHz in a 1.3-kG magnetic field. The design of a four-cavity configuration is also presented along with simulation of its gain, bandwidth, amplitude modulation (AM) and phase modulation (PM) sensitivity, dependence upon guiding-center spread, and large-signal saturation characteristics. This device has been constructed and initial tests have yielded a gain of 30 dB. Gain in excess of 50 dB is predicted.     

Theory and simulation of an 85 GHz quasioptical gyroklystron experiment

The linear theory used to design a two-resonator 85 GHz quasioptical gyroklystron with a nonuniform magnetic field is presented. It is shown that a tapered magnetic field in the prebunching resonator has a relatively small effect on the electron bunching parameter. The effect of velocity spread of the electron beam can be minimized by adjusting the magnetic field strength in the two resonators. Measured amplifier performance is in good agreement with calculations from the nonlinear multimode simulation code. Gyrophase bunching of the electrons is preserved over the long drift region (30 radiation wavelengths) even though no attempt has been made to minimize the velocity spread of the beam.     

Design and Numerical Optimization of a Cusp-Gun-Based Electron Beam for Millimeter-Wave Gyro-Devices

A novel thermionic cusp electron gun operating in the temperature-limited regime that produces a large-orbit electron beam through a nonadiabatic magnetic-field reversal was designed, analyzed, and optimized to give an electron-beam ideal for driving gyro-devices, particularly in the millimeter-to-submillimeter-wavelength range due to its small cross-sectional size. The annular-shaped axis-encircling electron beam had a beam current of 1.5 A at an acceleration potential of 40 kV, a tunable velocity ratio $alpha (= v_{ perp}/v_{z})$ between one and three, an optimized axial velocity spread $Delta v_{z}/v_{z}$ of $sim$ 8%, and a relative alpha spread $Deltaalpha/alpha$ of $sim$10% at an alpha value of 1.65.      

Corkscrew运动影响束流发射度的数值分析

 根据Corkscrew运动的特征,建立了束心Corkscrew运动及其对束流发射度的影响的理论模型,并进行了数值计算,揭示了束心Corkscrew运动造成束流积分发射度增长的一般规律,分析了有关参数对积分发射度的影响。计算结果显示,束心Corkscrew运动是叠加在束心平均偏轴上的一种横向运动,同时也是一种色散效应。虽然束心Corkscrew运动与束心平均偏轴具有很多相同的激励因素,但二者具有截然不同的机理。束流的能散度和初始入射角是Corkscrew运动的两个基本因素,而传输磁场、线圈磁轴倾斜及线圈安装方式对Corkscrew运动的幅度和频率构成较大的影响,并引起束流发射度的增长。只要存在初始入射角、初始入射偏轴或线圈磁轴倾斜中的任何一种因素,就会出现束心偏轴。在数值分析的基础上,针对减小束心Corkscrew运动和束轴的偏心提出了相应的抑制措施。     

Electron-optical system for a large-orbit gyrotron

An electron-optical system generating a rectilinear or helical 250 keV/4 A/10 μs electron beam with a high compression factor is developed. For the former beam, a compression factor as high as 4400 and a current density of 25 kA/cm₂ are achieved. In the process of forming the helical beam, the electrons rotating about the system’s axis (paraxial beam) acquire an initial velocity in a transverse magnetic field produced by a kicker. Their pitch factor is increased to a desired (operating) value in an adiabatically growing magnetic field. In tentative experiments with the helical beam in a large-orbit gyrotron, generation was obtained at the second cyclotron harmonic (223 GHz).