一种新的永久周期磁铁聚焦的高功率宽带放大器

 提出了一种新的高功率宽带放大器，它由速调管和自由电子脉塞组成，用永久周期磁铁聚焦。研究了这种器件的电子束聚焦、群聚和辐射。在速调管提供一阶调制系数为30%，波导管的半径1.51cm，摇摆器的磁场振幅0.16T，周期7.92cm，电子束的电压490kV，电流50A和半径0.368cm的条件下，预估这种器件的辐射波频率为11.4GHz，输出辐射功率为18MW，输出辐射带宽为44%。     

四注行波管周期永磁聚焦系统的优化设计

根据电子注参数、布里渊磁场公式及周期聚焦系统轴向磁通密度峰值经验公式,计算出永磁聚焦系统轴向峰值磁通密度,利用Ansoft Maxwell 3D软件建立了四注行波管周期永磁聚焦系统仿真模型,对模型结构尺寸进行了参数化分析,研究了周期永磁聚焦系统结构尺寸对聚焦系统通道内磁通密度的影响,确定了磁聚焦系统结构最佳尺寸配合,优化设计出了四注行波管周期永磁聚焦系统。其电子注通道中心轴线上轴向磁通密度峰值B_z=309 mT,横向磁通密度B_t=2.86 mT,B_t/B_z=0.92%。     

带状注速调管电子光学系统的设计与模拟

 设计了对有限宽带状注进行聚焦的周期永磁（PPM）磁场,利用E-GUN,SUPERFISH,MAFIA和PIC模拟软件,建立了计算具有平面对称结构的2维及3维电子光学系统模拟平台,并应用此平台对X波段、100 MW带状注速调管的电子光学系统进行了设计与模拟。结果显示,利用设计的PPM聚焦系统,当磁场周期为60 mm,入口处磁场为0.1 T时,在600 mm的传输距离下,电子注的通过率达到了99.6%。     

开口磁环的周期聚焦系统仿真分析与实验

当前行波管周期永磁聚焦系统的波端口位置处的磁环通常采用单向开口磁环。在波端口位置引入波导阻抗调谐支节的基础上,提出了两种不同的双向开口磁环结构。利用三维电磁仿真软件Opera-3D,分析了双开口磁环的中心轴线附近的磁场,并据此进一步介绍了带双开口磁环周期永磁聚焦系统的设计方法。为了验证带双开口磁环的周期永磁聚焦系统应用的可行性,设计和测试了一套E波段折叠波导行波管电子光学系统。在行波管试验中,电子枪发射电流83 mA,带双开口磁环的周期永磁聚焦系统聚焦的电子束流通率达到99%。     

高功率速调管聚焦磁场设计研究

 国产45 MW速调管是在原国产30 MW HK-1型速调管的基础上改进和发展起来的,其聚焦磁场设计也是参照30 MW速调管聚焦磁场设计并在其基础上加工改造完成。为此必须对旧聚焦系统进行改造,设计出符合需要的磁场分布,以满足45 MW速调管工作的需要。首先从理论上找出速调管工作时的理想磁场值,根据该磁场分布设计出相应的线圈结构;其次根据45 MW速调管的结构尺寸,对30 MW速调管的线圈支架进行改造,利用旧线圈和新支架组成新的聚焦系统;最后,根据理论模拟和测试结果,调整和优化各组线圈的电流值,给出速调管工作时的各组聚焦电源运行参考值。叙述了新聚焦线圈的理论设计和测试分析,包括新线圈支架的设计、水冷系统与线圈的结构安排和整体的测试结果,最后根据速调管高功率测试运行状态给出速调管工作时的聚焦线圈电流的参考值。     

铁磁性加载复合管壳电子注聚焦性能的研究

大功率行波管通常利用复合管壳提升高频系统的集成度和散热特性。宽带行波管采用复合管壳高频制造工艺时,由于加载翼片含有铁磁性材料(纯铁)使得聚焦系统的横向磁场分量变大,径向和角向磁场分量呈非均匀性,电子注聚焦困难。本文研究了周期永磁聚焦系统横向磁场产生的原因并建立理论模型,并对磁场分量和其对电子注形态的影响进行了仿真,仿真结果与理论计算结果一致。根据横向磁场分布模型对加载翼片的形状和数量进行优化仿真,结果表明9片齿形加载翼片方案可在保持慢波电路参数的同时,降低聚焦系统的横向磁场分量,改善电子注聚焦效果。     

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%.     

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。     

偏置磁极周期会切永磁场的理论分析

采用不同的近似方法对用于聚焦带状电子束传输的偏置磁极周期会切永磁场进行了理论分析,得到了两种不同形式的解析表达式,分别适用于数值计算和理论分析.首先,为了对偏置磁极周期会切永磁铁进行快速而又精确地数值仿真,利用表面电流带模型对其进行等效,得到了其激励的偏置磁极周期会切永磁场的解析表达式,并借助算例说明了表面电流带模型应用于等效偏置磁极周期会切永磁铁开展优化设计的高效性.然后,为了便于在将来开展对带状电子束传输的理论分析,按传统方法将偏置磁极周期会切永磁场分为两部分,一部分是磁极的无偏置部分激励的周期会切磁场,基于已知的场分布对其采用待定系数法进行了求解,另一部分是磁极的偏置部分激励的非周期的边聚焦磁场,对其采用双层磁荷面模型等效磁极偏置部分的方法进行求解,分别得到了简明而又相对精确的解析表达式,这两部分表达式的叠加即为偏置磁极周期会切永磁场的解析表达式.这些结果可用于偏置磁极周期会切永磁聚焦带状电子束传输问题的研究.     

强流环形电子束在同轴永磁Halbach结构磁路中传输的初步分析

利用有限元程序SUPERFISH计算求解了同轴永磁Halbach结构磁路的磁场, 并推导出该磁场位形磁感应强度各分量的近似表达式. 利用流体模型分析了作用在电子束上的力并导出了改进马丢方程形式的径向力平衡方程, 给出了平衡条件; 利用2.5维全电磁粒子模拟程序研究了强流环形电子束在该周期系统中传输的物理过程. 计算得出强流相对论电子束的稳定传输与电子束电流, 电子束厚度, 磁场强度, 电子束入射角度等因素有关. 分析认为利用同轴永磁Halbach结构磁路导引数KA的环形电子束, 并使之稳定传输是可能的. 同时该磁场聚焦形式也为Ubitron中的束--波相互作用提供了一个作用机制.     

同轴相对论速调管周期永磁聚焦系统的初步研究

为了探索相对论速调管放大器(RKA)的小型化技术,开展了同轴RKA周期永磁聚焦的物理与设计技术研究。周期永磁聚焦系统采用Halbach阵列结构,产生的磁场类型为周期性会切磁场。首先给出该系统的磁场各个分量的表达式,分析该系统磁场分布的特点,并推导得出该系统聚焦强流环形电子束的稳定条件。根据该稳定条件,对Ka波段同轴RKA设计了一个周期永磁聚焦系统,并优化了周期磁场参数,确定了磁场系统设计的最佳周期和幅值。研究结果显示,周期永磁(PPM)聚焦系统在周期长度18 mm和磁场幅值0.33 T的条件下可引导500 kV、6 kA的同轴RKA,得到1 GW的微波输出功率,物理分析确定了周期永磁聚焦系统应用于高功率同轴RKA的技术可能性。     

220 GHz均匀永磁聚焦行波管电子光学系统的设计与实验研究

电子光学系统是行波管的核心部件之一,在太赫兹频段,电子束通道很小,导致高电流密度电子束的传输非常困难。基于220 GHz折叠波导行波管慢波结构设计所需束流参数,根据理论分析和电磁仿真软件,设计了一款采用均匀永磁聚焦对电子束进行约束的电子光学系统。仿真结果显示,当电子束通道直径0.3 mm、长度31 mm时,在阴阳极压差20 kV的条件下阴极发射电流141 mA,电子流通率100%。根据设计结果封接了流通管,实验结果显示,当阴阳极压差20 kV时,阴极发射电流138.5 mA,收集极电流125.5 mA,电子流通率91%。     

X波段耦合腔行波管周期永磁聚焦系统

通过对不同耦合腔结构中电子注传输特性的研究,设计了长周期永磁聚焦系统,解决了影响电子注传输的横向磁场,开口磁环和磁场过渡区等问题,运用3维程序对X波段耦合腔行波管电子光学系统进行模拟计算,电子注通过率达到100%,波动9%,与耦合腔行波管实验要求一致。     

周期永磁聚焦电子注性能计算机模拟

 使用全三维电磁场粒子模拟程序MAFIA建立了行波管周期永磁聚焦系统模型，计算了磁系统中的磁场分布和静态电子注传输特性。分析了周期永磁系统聚焦电子注传输特性，并重点讨论了磁场强度、磁场端部效应和横向速度分布对电子注聚焦性能的影响。为周期永磁聚焦系统的工程设计和优化提供了有价值的模拟结果。     

Formation and focusing of electron beams in an electron-optical system with a plasma emitter placed in a magnetic field

The configuration and strength of a magnetic field are calculated in the regions of electron generation, acceleration, and transport in the electron-optical system of the plasma electron source. A magnetic field necessary for discharge initiation and maintenance is generated with a permanent magnet placed in a discharge chamber. It is shown that the magnetic field strength and configuration in these regions can be considerably varied by appropriately choosing the materials of electrodes forming the magnetic circuit. It is found that the beam focusing can be significantly improved by producing a quasi-uniform magnetic field in the electron-optical system of the plasma electron source.     

Ka波段扩展互作用速调管的设计

利用粒子模拟(PIC)三维软件,在Ka波段,采用扩展互作用谐振腔技术和谐振腔加载技术来实现高增益和宽频带,对扩展互作用速调管进行了设计和粒子模拟仿真,同时采用二维电子光学软件EGUN对电子枪和聚焦系统进行了设计和优化,聚焦系统使用的是钐钴永磁聚焦。在工作电压9 kV,束流0.15 A的条件下,输入功率为200 mW时,中心频率35.5 GHz,3 dB带宽为410 MHz,最小增益为32.5 dB,得到效率为26%,其平均功率为355 W。     

Controlling beam halo-chaos via backstepping design

A backstepping control method is proposed for controlling beam halo-chaos in the periodic focusing channels （PFCs） of high-current ion accelerator. The analysis and numerical results show that the method, via adjusting an exterior magnetic field, is effective to control beam halo chaos with five types of initial distribution ion beams, all statistical quantities of the beam halo-chaos are largely reduced, and the uniformity of ion beam is improved. This control method has an important value of application, for the exterior magnetic field can be easily adjusted in the periodical magnetic focusing channels in experiment.     

多注行波管周期永磁聚焦系统

 利用自行开发的3维行波管仿真软件研究了五注耦合腔行波管周期永磁聚焦系统,分析了各个电子注通道内的静磁场分布和电子注聚焦性能。讨论了在有无初始横向速度的情况下各电子注的聚焦情况。并对外层电子注通道内的横向磁场的性质和其造成的对电子注聚焦的影响进行了分析,结果表明:该多注周期永磁聚焦系统具有良好的静磁场分布特性与电子注聚焦性能,在结构设计合理时,横向磁场对外层通道内电子注的聚焦影响很小,可以忽略。     

高传输通过率带状电子注聚焦与传输特性的研究

大宽高比的非轴对称带状电子注在微波和毫米波真空电子器件中具有显著的技术优势与应用潜力. 采用轴向均匀磁场可以聚焦和传输带状电子注,且具有易于实现电子注与磁场的匹配和调节、聚焦强流电子注以及无传输截止电压限制等优点,但面临严重的Diocotron不稳定性. 结合单粒子模型理论和冷流模型理论,对带状电子注传输特性进行的研究及其数值计算表明,通过详细设计带状注电子光学系统物理参数,增强聚焦磁场并在传输通道高度方向上选择较大的电子注填充比,可以有效降低Diocotron不稳定性对带状电子注的影响,并实现其长距离稳 关键词： 带状电子注 传输 均匀磁场聚焦 Diocotron不稳定性     

Development of an Algorithm for Magnet Sorting and Field Shimming for TPS Elliptically Polarized Undulators

A spatially periodic magnetic field is essential to cause an electron beam to wiggle and to emit electromagnetic radiation in a synchrotron (SR) source of radiation, and to provide fully coherent light in free electron lasers (FEL). To create this field, permanent magnets (PM) or electromagnets are patterned in a device commonly called an insertion device for SR and a radiator or modulator for FEL. In reality, magnet blocks or iron poles are not identical, in terms of geometry and magnetic properties, even with progressive manufacture. Compensatory methods are thus desired to recover the magnetic field and also to decrease the duration of construction. Magnet sorting is a pre-process that aims to eliminate the effect of manufacturing error. Before assembly of an insertion device, data of each component, especially the magnetic properties of each magnet block and the gap variation of mechanical structure, are organized to optimize the performance of the magnetic field. After that process, there is sometimes an optimization to shim the magnetic field. An effective algorithm of both processes is significant, particularly for a long undulator and an elliptically polarized undulator (EPU).