1、12022-3-32 3ECRH回旋管原理圖 ECRH回旋管、陰極、電子槍 48G帶寬GyroTWT峰值500W，40%占空比1.5G帶寬Gyrotwystron峰值55kW，10%占空比5美研制的主動拒止武器樣機 用于主動拒止武器系統的回旋管 94GHz，基波，3.6T，超導磁體提供，啟動時間長。6永磁包裝回旋管研究計劃： 永磁包裝回旋管剖面圖永磁體外形7(1,2,)csl L(1,2,)css L8910大軌道回旋器件：具有永磁包裝前景的毫米波段大軌道回旋器件：具有永磁包裝前景的毫米波段 中等功率振蕩管和放大管。中等功率振蕩管和放大管。 =czzczzkk 潘尼管：（m -1）大軌道回旋管

2、：m11(1,2,)csl L1、日本Fukui University的遠紅外區域研究中心諧振腔內部較高的歐姆損耗和電子束的質量不佳大軌道回旋管結構及永磁系統裝置圖 122、美國UC Davis小回旋行波管:12%131、美國2007年實驗結果 潘尼管部分零件及實驗裝置圖 142、日本學者2模潘尼管實驗電子注偏心，輸出損耗152模工作（磁控型結構）潘尼管設計參數（300GHz）16目前的電子光學系統仍不能完全解決高效實用大回旋器件的問題。17缺點：磁場是突變的，實現困難。陰極半徑和電流較為有限，電子注波紋較大。181%,2%,1.8tz192021220202222222011221.zczc

3、Lm ceLPmrerAC v A+e&靜電磁場中，電子運動的拉格朗日函數：正則角動量守恒：能量守恒： 磁場分布磁場分布22222020224204(1 2 ) ( )2(1 2 )2(1 2 )4 ccczrSrzrSrrrrSr& & &2222201122222201rRRr 大回旋電子注形成示意圖大回旋電子注形成示意圖23(50)zm m雙曲正切磁場f= -tan粒子偏心示意圖1000si n290ccrrRR偏心量：方向：與電子通過會切點時的回旋半徑約成角24核心：進入會切磁場轉換點之前的管狀電子注盡可能薄，橫核心：進入會切磁場轉換點之前的管狀電子注盡

4、可能薄，橫向速度盡可能小；磁場過渡區盡可能短，變化盡可能陡。向速度盡可能小；磁場過渡區盡可能短，變化盡可能陡。 傳統方案25要求：要求： 所有條件都是理想的，在互作用區才可獲得完全理想所有條件都是理想的，在互作用區才可獲得完全理想的大回旋電子注。的大回旋電子注。困難：困難： 但是實際上，每一個環節都不可能完全理想。但是實際上，每一個環節都不可能完全理想。比如：陰極區輸出的管狀電子束不可能無限薄，也不可能沒有比如：陰極區輸出的管狀電子束不可能無限薄，也不可能沒有橫向速度；磁場倒向區不可能無限短，這些因素的疊加必然引橫向速度；磁場倒向區不可能無限短，這些因素的疊加必然引起引導中心的偏移，導致大回旋

5、電子注的質量與設計目標相差起引導中心的偏移，導致大回旋電子注的質量與設計目標相差很遠。很遠。2622201 22200022222012113LgkkkLkgLrrBrBBrrrBe mcB r （ ）（ ）（ ）01 -3（ ）（ ）式并不依賴于磁感應強度幅值由到的具體變化細節。這種變化過程可以是突變的，可以是緩變的，也可以是多次倒向的。kBB2200,LkgkrBrBr理想大回旋電子注的必要條件：并非理想并非理想Cusp！27minminminmin22min()()2( )()cccccccrrrrrr f zrr&B&從電子的角向運動方程出發：正比于陰極發射面的寬度，也

6、就是電子注的初始厚度。 發射面寬度引起的零散：發射面寬度引起的零散：盡可能窄的陰極發射帶，小的陰極半徑，使得盡可能窄的陰極發射帶，小的陰極半徑，使得電子注足夠薄。電子注足夠薄。但是大電流情況，需要考慮到陰極發射電流密但是大電流情況，需要考慮到陰極發射電流密度的限制。度的限制。 位置零散：位置零散：2kr式（ ），正比于電子軌跡出發點陰極半徑的相對零散。28 初始磁通零散：初始磁通零散：1 22200022 （ ）若不同，則作為整體來考慮，正比于磁通量。kLkgkk kBrrrBBB r將陰極置于倒向點前的軸向磁場幅值漸減區域，將陰極置于倒向點前的軸向磁場幅值漸減區域，可以適當補償各條軌跡間初始

7、磁通的差異。可以適當補償各條軌跡間初始磁通的差異。29偏心引起的速度零散：偏心引起的速度零散：1 222000222 （ ）kLkgggLBrrrBrrr使較大初始磁通的電子對應的使較大初始磁通的電子對應的rg也較大，就也較大，就可減小各電子橫向速度的差異，從而減小橫可減小各電子橫向速度的差異，從而減小橫向速度零散。向速度零散。30空間電荷效應引起的速度零散：空間電荷效應引起的速度零散： 其它因素：其它因素：陰極發射表面的粗糙程度、陰極表面的非均勻場、電子初始速度的熱分布、電極系統和磁系統的軸對稱不良等。 不是相互疊加的！31 大回旋電子注形成機理大回旋電子注形成機理111112sincccg

8、Lzzzr zrr在 之前：1czz 變化，電子軌跡與會切平面的交點隨之發生變化。32111111111111111111:0:,:0:,gLgLgLgLArrrrBrrrrCrrrrDrrrr & 電子軌跡與會切平面交點示意圖電子軌跡與會切平面交點示意圖2121czrrrr&在電子通過 時，。3311122211212211111122121111221222111121221212gLAgLAAgLgLgLAL AgLgLg ALgLgLB rrBrrBrrrrrrBBrrrrrBBrrrrrrrB&ACOOCOO引導中心由 點向點偏移。同理， 點處電子引導中心由

9、點向點偏移。34221112222122111212222211 2222222221212LgBgLggBBgBBBBL BB rrB rB rrrrB rrr&BDOODOO引導中心由 點向點偏移。同理， 點處電子引導中心由 點向點偏移。35在不同于在不同于A A、B B、C C、D D四點的其它位置處，電子注將以此規律四點的其它位置處，電子注將以此規律散布在散布在O O點四周，或上，或下，或左，或右。點四周，或上，或下，或左，或右。在設計大回旋電子槍時，不必要求槍區電子注為無限薄的平行在設計大回旋電子槍時，不必要求槍區電子注為無限薄的平行層流電子注，可通過調節槍電極系統與磁場系統

10、的相對位置，層流電子注，可通過調節槍電極系統與磁場系統的相對位置，就有可能使各種因素引起的速度零散部分抵消，減小橫向及軸就有可能使各種因素引起的速度零散部分抵消，減小橫向及軸向速度零散；同時通過控制向速度零散；同時通過控制I I區電子軌跡與會切平面的交點，區電子軌跡與會切平面的交點，并調節的并調節的B B1 1/B/B2 2值來對引導中心偏移進行補償。值來對引導中心偏移進行補償。36主要任務：選擇合適的電極形狀和磁場分布，來主要任務：選擇合適的電極形狀和磁場分布，來 有效的克服速度零散和偏心。有效的克服速度零散和偏心。373839傳統方案新型方案新型緩變倒向場方案：電子一發射出來就遇到發散磁場

11、，放棄電子沿磁力線會聚的理念。 40沿軸磁場分布：小回旋電子注沿軸磁場分布：小回旋電子注沿軸磁場分布：大回旋電子注沿軸磁場分布：大回旋電子注I區：電子槍區II區：過渡區III區：互作用區IV區：降壓收集極區21(21)(21)12(2 )(2 )1( 1)( , )(0, )!1 ! 2( 1)( , )(0, )!(1)! 2nnnrznnnnnzznnrdB r zBzn ndzrdB r zBzn ndz411/22gie11/21/222ee111/22e1eg1/,/,/,/NiNNizzizziiNziiNLLigirrNNNNrrNrrrg42緩變倒向磁場系統的結構尺寸 主磁場為

12、主磁場為0.46T0.46T，反向磁場為反向磁場為-0.016T -0.016T 43緩變倒向場電子槍結構緩變倒向場電子槍結構1 1、槍的陰極是處于發散磁場中而不是會聚磁場中。、槍的陰極是處于發散磁場中而不是會聚磁場中。2 2、電子軌跡傾角小于、電子軌跡傾角小于0 0，而磁力線的傾角大于，而磁力線的傾角大于0 0。44相對零散隨各條軌跡初始半徑的變化相對零散隨各條軌跡初始半徑的變化 電子注的橫向速度零散明顯小于陰極半徑零散。偏心的僅為回旋半徑的1.56%，最大也僅為回旋半徑的2.70%。速度零散為3.01%，最大零散約為5%45磁系統平移對電子注性能的影響磁系統平移對電子注性能的影響 電子注各

13、參量對磁場位置相當敏感 。改善Bk的軸向均勻性后可以改善。46陰極中心凸起高度對電子注性能的影響陰極中心凸起高度對電子注性能的影響 影響較大影響較大! !原因：該凸起實際效果相當于內聚焦極，影響空間電場分布。原因：該凸起實際效果相當于內聚焦極，影響空間電場分布。 47電流對電子注性能的影響電流對電子注性能的影響 電子注的偏心和速度零散隨之變大。原因：空間電荷效應加大 48電流為電流為2A2A時電子注軌跡時電子注軌跡 7.15%4.15%偏心：軸向速度零散：電子注的波動和厚度較0.1A時明顯變大 ！49（1）具有一定厚度的大回旋電子注。電子注角向分布電子注電流密度分布50（2）電場的基本作用是會

14、聚的。電子槍區等位線分布51525354橫截面和縱向剖面圖橫截面和縱向剖面圖55橫向場、縱向場分布橫向場、縱向場分布560102030405060020406080100120f / GHzE / (MV/m/GHz)020406080100101520253035404550z / mmEk / keW0204060800510152025303540t / nsP / kW57速度比的最佳值是速度比的最佳值是2.22.2，并不是越大越好！，并不是越大越好！58:70.2%33.1%:44.220.8outPkWz=2. 2,偏心對器件性能的影響（=0）59:70.2%48.9%:44.22

15、8.9outPkW= 2. 2,gr速度零散對器件性能的影響（= 0）60:34.621.1:54.1%33.2%outPkWz=2. 2,偏心對器件性能的影響（=0. 1）:27.7:44.2%outPkW61626364gBcr,.outP向左平移時，Bc,.zoutP向右平移時，65能量不再集中，器件效率下降！能量不再集中，器件效率下降！相對能量分布z=-0.6mm 相對能量分布z=0.6mm :42.4:40.0%outPkW:29.1:31.8%outPkW66相對能量分布z=0mm 輸出功率輸出功率31.9kW 31.9kW ，器件效率，器件效率49.4%49.4%。 6768關鍵

16、：小回旋電子束運行到關鍵：小回旋電子束運行到 離軸最近的點處到達離軸最近的點處到達Zc112112111,1 形成條件：gLLgLgLrrrrrBfBfrrzc69陰極發射帶平行于系統軸線和磁力線；陰極發射帶平行于系統軸線和磁力線；發射帶寬發射帶寬3mm3mm，電流高達，電流高達4A4A。70電子注在出口處橫向分布電子注在出口處橫向分布電子注電流密度分布電子注電流密度分布繞軸大回旋運動，偏心很小。繞軸大回旋運動，偏心很小。 方 案 可 行！71U1U1，U2U2：調節偏心和速度零散。：調節偏心和速度零散。U2U2：大范圍調節速度比：大范圍調節速度比U1U1：微調速度比：微調速度比7273B B

17、0 0=0.396T=0.396T， 有有5%5%左右可調。左右可調。均勻區寬度均勻區寬度40-50mm40-50mm，陰極倒向磁場區的磁場分布應與電子槍匹配。陰極倒向磁場區的磁場分布應與電子槍匹配。三次諧波潘尼管對磁體的要求：三次諧波潘尼管對磁體的要求：74永磁材料：釹鐵硼永磁材料：釹鐵硼尺寸：內徑尺寸：內徑120mm120mm，外徑，外徑230mm230mm，寬，寬55mm55mm重量：重量：26.6kg26.6kg極靴材料：極靴材料：A3A3鋼，總重為鋼，總重為40kg 40kg 螺旋線包螺旋線包 ：5%5%左右的可調量。左右的可調量。整個磁系統：軸長整個磁系統：軸長280mm280mm，直徑，直徑300mm300mm。總重：總重：100kg100kg左右，結構比較緊湊。左右，結構比較緊湊。 75永磁系統沿軸磁場分布 76 軸上部分輸出數據均勻區磁場值約為均勻區