94 GHz回旋管单阳极磁控注入电子枪设计与研究

摘?要 根据电子光学原理以及绝热压缩理论，设计了回旋管单阳极磁控注入电子枪（MIG）。同时，进行模拟优化，最终得到的电子注速度比分布于1.3左右，速度零散小于3%。分析了阳极位置、磁场位置等因素对电子注性能造成的影响。

关键词 回旋管；磁控注入电子枪；速度零散；速度比

中图分类号 TN105 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)072-0143-01

电子回旋脉塞器件（回旋管）是指以相对论质量效应为基础的毫米波源。回旋管作为目前高功率毫米波源的首选器件，能够在毫米波段和亚毫米波段产生高平均功率，具有其他器件无法比拟的优越性，同时在材料处理、等离子体加热、电子回旋加热和高分辨率雷达等方面有着很好的应用和发展前景。

目前主要存在的问题之一是如何产生高速度比、低速度零散的电子注，因此对电子枪的性能提出了更高的要求。本文通过Baird和Lawson的关于电子枪的设计方法确定了基本结构参数，设计优化电子枪结构。

1 磁控注入枪MIG的物理模型

磁控注入电子枪通常分为单阳极和双阳极电子枪。其中，阴极由前聚焦极，后聚焦极和阴极发射带组成。双阳极磁控注入电子枪有一个调制阳极，便于调制电子横纵速度比，容易产生速度比较大、速度零散较小的电子注，缺点是工作时需要两台高压调制器，结构复杂，不便于实际使用。单阳极磁控注入电子枪具有结构简单、紧凑，工作时仅需要一台高压调制器，便于实际应用的优点；缺点是在较大的工作电流情况下，其产生的电子注轴向速度零散大，电子速度比通常较小，且难以调节。鉴于实际工程应用的需要，本文着重对单阳极磁控注入电子枪（MIG）做进一步深入的研究和分析。

2 分析与计算

通常表征电子注质量的最重要的参数有三个，即平均速度比α，平均横向速度零散β┴，平均纵向速度零散β||。回旋管要求电子注的平均速度比α适中，速度零散度尽可能小，能够提供足够的输出功率。

2.1 磁场位置变化对电子注性能的影响

基于工程实际需求，对不同电压下，磁场位置变化对电子注速度比和速度零散的影响进行观察。在保持阳极电压分别为

53 kV，50 kV，47 kV不变的情况下，由图1可以看出，当线圈整体从左向右平移时，电子注速度比逐渐增大。由电子光学理论可知，线圈平移后，阴极磁场减小，阴极发出的电子受到轴向磁约束力减小，相应的电子回旋半径增大，从阴极电场获得的横向能量增大，而电子的轴向能量改变不明显，因此速度比增大。线圈从左向右移动过程中，电子注的速度比呈现逐渐增大的趋势。由图2可以看出，线圈从左向右平移的过程当中，电子注的速度零散呈先减小后增大的趋势。由此可见，减小磁场的约束力可以一定程度上降低速度零散度。但当超过一定范围后，约束力过小反而会增大零散度。

2.2 阴极和阳极间距离变化对电子注性能的影响

基于工程实际需求，对不同电压下，阴阳极间距离变化对电子注速度比和速度零散的影响进行观察。当阳极电压分别为

47.5 kV，50 kV，52.5 kV，5 kV时，由图3可以看出，随着阴极和阳极间距离逐渐增大，阴极电场强度逐渐减小，电子注的速度比也随之减小。由图4可以看出，随着阴阳极之间的距离逐渐增大，电子注的速度零散先是得到了抑制，逐渐减小；但当距离增大超过一定范围后，抑制作用开始减弱，速度零散开始逐渐增大。

图1 磁场变化对速度比的影响

图2 磁场变化对速度零散的影响

图3 阴极和阳极间距离变化对速度比的影响

图4 阴极和阳极间距离变化对速度零散的影响

3 结果分析

对磁控注入枪（MIG）的结构参数进行了大量的模拟优化，最终得到了速度比分布于1.3左右，速度零散小于3%，电子注性能良好的枪体结构。

参考文献

[1]M.K.A.Thumm,“Recent developments on high-power gyrotrons—Introduction to this special issue,” J. Infrared Millim. Terahz. Waves, vol. 32, no. 3, pp. 241-252, Mar. 2011.

[2]K.Felch, M.Blank, P. Borchard, P. Cahalan, S. Cauffman, and H. Jory, “Recent test results on a 95 GHz, 2 MW gyrotron,” in Proc. 33rd Int. Conf. Infrared, Millim. THz Waves, Pasadena, CA, Sep. 2008, pp. 1-2.

作者简介

杨轶（1987—），男，浙江台州人，硕士，从事高功率微波、回旋管磁控注入电子枪研究。