W波段永磁包裝高次諧波潘尼管的研究.pdf

1、回旋管是毫米波波段最有發(fā)展前途的中、高功率、高效率器件之一，高功率回旋管成功地應(yīng)用于核聚變等離子體回旋諧振加熱中，同時(shí)回旋管在毫米波陶瓷燒結(jié)、材料加工、毫米波通信、毫米波武器（主動(dòng)拒止系統(tǒng)）以及高分辨率雷達(dá)方面有著廣泛的應(yīng)用前景。短毫米波回旋管的嚴(yán)重不足是必須要使用超導(dǎo)磁體，由于其價(jià)格昂格，系統(tǒng)復(fù)雜，啟動(dòng)時(shí)間長，限制了回旋管在很多情況下的應(yīng)用效果。潘尼管是另一類還未充分研究、應(yīng)用的回旋器件，大量研究表明，它具有效率高，可高次諧波工作，因

2、此具有可以實(shí)現(xiàn)永磁包裝而不用超導(dǎo)磁體的潛在優(yōu)勢受到人們的高度重視。目前日本學(xué)者研制的潘尼管獲得了W波段的微波輻射，美國學(xué)者也有研制Ka波段實(shí)用潘尼管的詳細(xì)計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是目前都還沒有研制W波段實(shí)用樣管的報(bào)道。近幾年來，電子科技大學(xué)強(qiáng)輻射實(shí)驗(yàn)也開展了潘尼管的研究，進(jìn)行了Ka波段3次諧波潘尼管的設(shè)計(jì)和大回旋電子槍的探索。根據(jù)對需求背景和可能性的分析，決定以研制W波段10kW量級的永磁包裝潘尼管作為實(shí)驗(yàn)室的近期任務(wù)，同時(shí)該項(xiàng)目也受到國家自

3、然科學(xué)基金的大力支持。
　　本文以研制W波段10kW量級永磁包裝潘尼管器件為目標(biāo)，對器件總體方案的選擇，注波互作用系統(tǒng)的理論分析與設(shè)計(jì)，永磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，冷、熱測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測試方法進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，實(shí)際加工了高頻腔體并進(jìn)行了冷測實(shí)驗(yàn)，得到了與理論計(jì)算基本符合的結(jié)果。在潘尼管總體方案選擇上，兼顧永磁材料性能與器件效率，提出了6次諧波永磁包裝磁控型潘尼管方案。高次諧波潘尼管主要是深入研究7開槽諧振腔中的模式競爭問

4、題，證明其6次諧波2π模單模穩(wěn)定工作的可能性，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的諧振腔并進(jìn)行了器件的PIC全電磁粒子模擬，給出了功率達(dá)30kW，效率達(dá)40％的W波段6次諧波潘尼管參量設(shè)計(jì)。同時(shí)編制潘尼管的自洽非線性大信號計(jì)算程序，并用以深入研究了引導(dǎo)中心偏移、速度離散等因素對潘尼管性能的影響，表明在引導(dǎo)中心偏移不大于8％，相對縱向速度離散不大于8％，該器件的功率仍可達(dá)10千瓦，效率為17%，從而確定了W波段實(shí)用潘尼管對電子束質(zhì)量的最低要求。潘尼管永磁包裝系統(tǒng)

5、研究了利用現(xiàn)已掌握徑向極化永磁體技術(shù)制作潘尼管所需永磁體的可行性，并設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的永磁體，雖然其磁場分布有缺點(diǎn)，但其特殊緩變倒向磁場和工作均勻區(qū)磁場基本可以分別滿足產(chǎn)生大回旋電子注和實(shí)現(xiàn)潘尼管注-波互作用的磁場要求。潘尼管大回旋電子槍是在上述永磁體可能得到的磁場分布下，運(yùn)用一種新的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了適應(yīng)這種特殊倒向場的大回旋電子槍，據(jù)模擬計(jì)算獲得引導(dǎo)中心偏移為5.4%,縱向速度離散為6.9%，橫向速度零散為1.3%，和速度比為2的大

6、回旋電子注，該設(shè)計(jì)的大回旋電子束完全滿足潘尼管工作的基本要求。論文同時(shí)深入研究了這種緊湊型永磁體的特殊磁場下電子注的流通規(guī)律，提出了在工作情況下監(jiān)測電子槍的工作狀態(tài)和優(yōu)化電子束參量的實(shí)用方法。W波段永磁包裝潘尼管測試技術(shù)及系統(tǒng)研究主要是對W波段永磁包裝潘尼管進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)分別設(shè)計(jì)了潘尼管冷測實(shí)驗(yàn)用矩形 TE10模式-圓波導(dǎo) TE01模式轉(zhuǎn)換器和圓波導(dǎo) TE01模式-矩形TE10模式的診斷耦合腔，以此用來測試潘尼管的Q值以及確定潘尼管