回旋管磁控注入電子槍的設計
以磁控注入電子槍的絕熱壓縮理論和角動量守恒關系為基礎，編寫了磁控注入電子槍的計算程序MGUN，利用該程序完成了一個輸出功率為56 kW 的W 波段二次諧波回旋振蕩管磁控注入電子槍的初步設計，利用EGUN 對該磁控槍進行了研究，分析了空間電荷效應、雙陽極間距、調制極電壓、陰極的傾角及陰極磁場強度等因素對電子注性能的影響并對磁控槍進行了優化，結果顯示：當電子注的加速電壓為36 kV、工作電流為4 A 時，電子注的橫縱速度比α = 1. 5，橫向速度離散Δv⊥ /v⊥ =2. 4%。另外，文章還利用粒子模擬軟件對EGUN 的結果進行了驗證，兩種方法所得結果基本一致。
回旋管是一種能夠在毫米波段產生大功率微波輻射的真空器件，其利用沿軸向回旋前進的電子注與電磁場發生相互作用，將電子的能量轉化為高頻電磁場能。與傳統電真空器件相比，回旋管具有高頻率、高功率和高效率的特點，因此被廣泛地應用于高功率毫米波雷達、高密度通信、可控熱核聚變中的等離子體加熱、材料處理等方面。為了獲得較高的互作用效率，回旋管要求電子注具有較大的橫向速度及較小的速度離散，為了達到這個目的，回旋管一般采用磁控注入電子槍( MIG) 。回旋管所用的MIG 主要包括三類: 單陽極MIG、雙陽極MIG 和會切MIG，其中單陽極和雙陽極MIG 主要用于小回旋軌道的回旋管，會切磁場式磁控槍主要用于大回旋軌道的回旋管。
MIG 的設計參數較多，且各個參數相互聯系，這給磁控槍的優化設計帶來很多困難。1986 年貝爾德( Baird) 勞森( Lawson) 利用絕熱壓縮理論和角動量守恒從理論上研究了與電子注相關的因素與電子注參數之間的關系，得出了將電子注參數聯系在一起的五個方程，這給磁控槍的設計帶來了很大便利，但是該理論沒有考慮空間電荷效應，所以只是對實際情況的一個近似描述，要獲得更準確的結果可以通過數值模擬來實現。磁控槍的數值模擬方法主要包括穩態軌跡模擬方法和PIC 粒子模擬方法。穩態軌跡模擬方法是通過自洽地求解泊松方程和相對論洛侖茲方程進而獲得電子的運行軌跡，這種方法考慮了空間電荷效應，計算迅速，但只能處理靜態場問題。采用穩態軌跡模擬方法的典型電子光學模擬軟件有主要有EGUN、BEFRAY、DAPHNE、EPOSR、EOS 等。粒子模擬方法直接求解麥克斯韋方程和電子的運動方程，既能處理靜態問題，又能處理動態問題，缺點是當網格和粒子數較多時計算時間較長。常用的粒子模擬軟件有Magic、CST 粒子工作室等。
本文為文獻中的二次諧波回旋振蕩管設計了一個雙陽極MIG，該振蕩管的工作磁場為1.75 T，電子注半徑為1.55 mm( 其它參數見表1) 。文章第一部分，介紹了MGUN 程序的工作流程并利用該程序確定了磁控槍的初始結構; 第二部分利用穩態軌跡模擬軟件EGUN 研究了磁控槍的性質; 第三部分利用粒子模擬軟件Magic 對電子槍進行了驗證; 第四部分總結了本文的主要工作。
表1 回旋振蕩管的基本參數
1、磁控槍的基本理論和初始參數確定
選擇雙陽極MIG 作為設計目標，為了確定MIG的初始參數，利用絕熱壓縮理論編寫了MIG 的計算程序MGUN，其主要流程結構如圖1 所示。在程序中把MIG 的參數分為確定參數和優化參數兩類，其中確定參數是在MIG 的設計過程中不需要調節的參數，其數值由高頻互作用電路設計得到，主要包括:電子注的電流I、加速電壓U2、速度比α、電子注半徑Rb、互作用區磁場B 等。優化參數是在MIG 設計過程中需要調整優化的參數，主要包括: 第一陽極電壓U1、陰極平均半徑Rc、陰極長度Lc、陰極傾角c、陰陽極間距da以及陰極磁場Bc，這六個參數是決定磁控槍性能的主要參數，在設計磁控槍的過程中需要綜合考慮。衡量電子注質量的主要參數是電子注的速度比α 和電子注的橫向速度離散Δv⊥ /v⊥。另外，在設計中還要考慮以下幾個參量: 磁控槍陰極電場強度Ec、陰極電流密度Jc、磁壓縮比fm等，考慮到工程中的實際情況，這些量還需要滿足一定的條件( 表2) 。
圖1 MGUN 的主要計算過程
表2 磁控注入電子槍的限制條件
4、結論
本文設計了應用于工作頻率為94 GHz、輸出功率56 kW 的二次諧波回旋振蕩管的雙陽極MIG。首先使用MGUN 程序確定了MIG 的初始參數，然后利用粒子追蹤軟件EGUN 研究了各個參數對電子注性能的影響，結果顯示: 陰極磁場強度及陰極的傾角對電子注的性能影響最大，隨著陰極磁場強度和陰極傾角的增加，電子注的速度比α 和速度離散都減小;電子注電流對α 影響較大，其它參量不變時，增大電子注電流，α 迅速減小; α 和速度離散隨調制極電壓的升高都同步升高; 雙陽極間距對電子注性能影響較小。基于以上規律，對MIG 進行了優化，最終獲得了電子注橫縱速度比α = 1. 5、平均橫向速度離散Δv⊥ /v⊥ = 2. 4% 的電子注，滿足了回旋振蕩管對電子注的要求。最后，利用粒子模擬軟件Magic 對MIG進行了模擬，其結果與EGUN 所得結果符合得很好。文章所用的設計方法和所得到的規律對回旋管MIG的設計具有重要的指導和參考意義。
