大回旋电子注课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,大回旋电子束形成技术及其应用研究,导 师：李家胤 教授,报告人：武新慧,电子科技大学物理电子学院,2012,年,12,月,3,日,10/3/2024,大回旋电子注,Cusp,枪,小回旋电子注,MIG,枪,研究背景及意义,2,1.1,小回旋器件的,典型成果,及发展新方向,1,、用于受控热核聚变的高功率、高能量回旋振荡管,ECRH,回旋管原理图,ECRH,回旋管、阴极、电子枪,3,2,、回旋放大器件（回旋速调管和行波管）,8G,带宽,GyroTWT,峰值,500W,，,40%,占空比,1.5G,带宽,Gyrotwystron,峰值,55kW,，,10%,占空比,4,3,、工程与车载应用回旋器件：主动拒止武器,美研制的主动拒止武器样机,用于主动拒止武器系统的回旋管,94GHz,，基波，,3.6T,，超导磁体提供，启动时间长。,5,永磁包装回旋管研究计划：,永磁包装回旋管剖面图,永磁体外形,频率,95GHz,谐波次数,3rd,工作磁场,1.2T,输出功率,50kW,效率,30-40%,（,SDC,）,磁体重量,890kg,磁体造价,$330k USD,发展新方向：永磁包装代替超导磁体系统,6,小轨道回旋器件高次谐波工作的特点,优点：,s,次工作，工作磁场降低为基波工作磁场的,s,分之一。,缺点： 谐波工作不如基波工作稳定。,二次：效率、功率和稳定性都不错，应用范围较广。,三次：效率已大大下降，稳定性较差。,四次：没有报道。,7,大轨道回旋器件低磁场工作的优势,（,1,）高效率。,潘尼管：,模工作，基波,95%,（,Exp.72%,），,2,次,78%,（,Exp.43.8%,），,3,次,70%,，,10,次,40%,。,2,模工作，,3,次,75%,（,Exp.39%,），,10,次,6%,（,Exp.2.3%,）。,大轨道回旋管：,6,次（,94GHz,）,34%,，,8,次,20%,。,小轨道回旋管：,3,次谐波,20,，,4,次及以上尚无报道。,8,（,2,）剩余能量集中。,注波互作用后电子能量保持单能级特性，易于回收，可以再次提高器件的整体效率（,10%,以上）。,9,（,3,）低磁场。,若可工作于,10,次回旋谐波，则有可能研制,280GHz,以下的永磁包装大回旋器件（永磁体可达,1.0T,）。,（,4,）模式选择性好。,大轨道回旋器件：具有永磁包装前景的毫米波段,中等功率振荡管和放大管。,10,大轨道回旋管的典型成果,1,、,日本,Fukui University,的远红外区域研究中心,电压（,kV,）,31,电流（,A,）,1,速度比,2,磁场（,T,）,1,工作频率,f,(GHz,),104,工作模式,TE,41,谐波次数,4,输出功率,(kW),0.7,效率,2.2%,（,2000,）,6%,（,2003,）,谐振腔内部较高的欧姆损耗和电子束的质量不佳,大轨道回旋管结构及永磁系统装置图,11,2,、美国,UC Davis,大轨道回旋管（,1996,）,工作频率,f,(GHz,),95,94,94,谐波次数,4,6,8,输出功率（,kW,）,75,40,22,效率（,Predicted,）,30% (SDC45%),16%,(SDC34%),9%,(SDC20%),大轨道回旋行波管（,2002,）,工作频率,ka,工作模式,TE,21,（,2,次）,输出功率,(kW),50,效率,(Measure),20%,带宽,3%,小回旋行波管,:12%,12,1,、美国,2007,年实验结果,Peniotron,（,2000,年优化设计）,工作频率,(,GHz),34,谐波次数,2,工作电压（,kV,）,47.1,工作电流（,A,）,3.8,工作模式,/2,磁场（,T,）,0.65,输出功率,(kW),25.7*4,器件效率,57%,潘尼管的典型成果,潘尼管部分零件及实验装置图,13,2,、日本学者,2,模潘尼管实验,3rd,10rd,优化结果,输出功率,(kW),22,10.8,转换效率,(%),73.3,36.0,实测结果,输出功率,(kW),6.9,0.16,转换效率,(%),39%,2.3%,电子注偏心，输出损耗,14,2,模工作（磁控型结构）,潘尼管设计参数（,300GHz,）,频率,(GHz),300.6,298.3,300.5,299.8,299.8,回旋谐波数,3,11,11,31,31,工作磁场,(T),3.790,1.026,1.033,0.366,0.366,转换效率,(%),71.4,30.9,27.0,11.9,12.8,15,1.4,大回旋器件实用化的主要困难,目前的电子光学系统仍不能完全解决高效实用大回旋器件的问题。,-,电子注质量较差,16,大回旋电子枪的发展状况,传统,Cusp,：,缺点：磁场是突变的，实现困难。,阴极半径和电流较为有限，电子注波纹较大。,17,1989,年,为了解决电子束波纹较大、电流较小的问题，,束压,50kV,束流,12A,不考虑热初速,不考虑热初速,横纵速度零散增加,0.6%,缺点,电子光学系统结构复杂，工艺实现有难度,18,优点：克服了传统会切电子枪束流波纹大、阴极半径有限等缺点。没有中心磁柱，空心电子束中没有磁物质，真空封装箱体中没有磁铁和调节线圈。机械加工上相对较为简单。,70kV,，,3.5A,，,dv,z,5%,dr,g,10%,速度比,1.5,。,缺点：仍然需要调整翻转磁场位形，使磁力线分布与电子注轨迹一致来减小速度零散和束波纹，对磁场位形设计要求过高。,新型,Cusp,电子枪方案：,19,内容提要,一、引导中心漂移补偿法的基本思路,二、枪型,I,：新型缓变倒向场大回旋电子枪,三、枪型,I,在三次谐波潘尼管中的应用,四、枪型,II,：磁控注入式大回旋电子枪,五、枪型,III,：永磁包装三次谐波潘尼管电子枪,20,磁场分布,大回旋电子束形成机理,21,大回旋电子注形成示意图,22,非理想会切磁场,粒子偏心示意图,23,传统方案的困难,核心：进入会切磁场转换点之前的管状电子注尽可能薄，横向速度尽可能小；磁场过渡区尽可能短，变化尽可能陡。,传统方案,24,要求： 所有条件都是理想的，在互作用区才可获得完全理想的大回旋电子注。,困难： 但是实际上，每一个环节都不可能完全理想。,比如：阴极区输出的管状电子束不可能无限薄，也不可能没有横向速度；磁场倒向区不可能无限短，这些因素的叠加必然引起引导中心的偏移，导致大回旋电子注的质量与设计目标相差很远。,25,任意场分布下阴极区与互作用区电子注参量的关系,并非理想,Cusp,！,26,速度零散产生的原因分析, 发射面宽度引起的零散：,尽可能窄的阴极发射带，小的阴极半径，使得电子注足够薄。,但是大电流情况，需要考虑到阴极发射电流密度的限制。, 位置零散：,27, 初始磁通零散：,将阴极置于倒向点前的轴向磁场幅值渐减区域，可以适当补偿各条轨迹间初始磁通的差异。,28,偏心引起的速度零散：,使较大初始磁通的电子对应的,r,g,也较大，就可减小各电子横向速度的差异，从而减小横向速度零散。,29,空间电荷效应引起的速度零散：, 其它因素：,阴极发射表面的粗糙程度、阴极表面的非均匀场、电子初始速度的热分布、电极系统和磁系统的轴对称不良等。,不是相互叠加的！,30,1.2,引导中心漂移补偿法的基本思路,大回旋电子注形成机理,31,电子轨迹与会切平面交点示意图,32,33,34,在不同于,A,、,B,、,C,、,D,四点的其它位置处，电子注将以此规律,散布在,O,点四周，或上，或下，或左，或右。,在设计大回旋电子枪时，不必要求枪区电子注为无限薄的平行,层流电子注，可通过调节枪电极系统与磁场系统的相对位置，,就有可能使各种因素引起的速度零散部分抵消，减小横向及轴,向速度零散；同时通过控制,I,区电子轨迹与会切平面的交点，,并调节的,B,1,/B,2,值来对引导中心偏移进行补偿。,35,1.3,补偿机理,放开对磁场变化中间过程的要求，利用工程上能够实现的磁位形，只需阴极区磁场与互作用区磁场满足特定的关系。,严格控制初始磁通零散，即控制初始磁通的差异。,利用改变电场分布等手段，调整不同电子通过倒向磁场转换区的位相，对因非理想倒向磁场过渡区所引起的漂移进行补偿，达到互作用区偏心尽可能小的结果。,主要任务：选择合适的电极形状和磁场分布，来 有效的克服速度零散和偏心。,36,三种大回旋电子枪：,I,、新型缓变倒向场电子枪,特点：放宽了对磁场位形的要求。,II,、磁控注入式大回旋电子枪,特点：通过控制初始磁通的差异达到了大电流、低速度零散的目的。,III,、永磁包装大回旋电子枪,特点：利用一个简单的永磁包装磁体自然产生的 倒向磁场，放宽了对磁体的要求。,37,内容提要,一、 引导中心漂移补偿法的基本思路,二、 枪型,I,：新型缓变倒向场大回旋电子枪,三、枪型,I,在三次谐波潘尼管中的应用,四、枪型,II,：磁控注入式大回旋电子枪,五、枪型,III,：永磁包装三次谐波潘尼管电子枪,38,两种典型结构大回旋电子枪,传统方案,新型方案,新型缓变倒向场方案：,电子一发射出来就遇到发散磁场，,放弃电子沿磁力线会聚的理念。,39,磁场的描述方法,沿轴磁场分布：小回旋电子注,沿轴磁场分布：大回旋电子注,I,区：电子枪区,II,区：过渡区,III,区：互作用区,IV,区：降压收集极区,40,电子注的描述,41,磁系统设计,缓变倒向磁场系统的结构尺寸,主磁场为,0.46T,，,反向磁场为,-0.016T,42,电子枪的设计结果,缓变倒向场电子枪结构,电流,I,0.1A,电压,U,60kV,主磁场,B0,0.46T,阴极半径,rc,11.5mm,阴极厚度,drc,1mm,注厚度,dr,0.10mm,速度比,1.88,1,、枪的阴极是处于发散磁场中而不是会聚磁场中。,2,、电子轨迹倾角小于,0,，而磁力线的倾角大于,0,。,43,相对零散随各条轨迹初始半径的变化,电子注的横向速度零散明显小于阴极半径零散。,偏心的仅为回旋半径的,1.56%,，最大也仅为回旋半径的,2.70%,。,速度零散为,3.01%,，最大零散约为,5%,44,磁系统平移对电子注性能的影响,电子注各参量对磁场位置相当敏感 。,改善,B,k,的轴向均匀性后可以改善。,45,阴极中心凸起高度对电子注性能的影响,影响较大,!,原因：该凸起实际效果相当于内聚焦极，影响空间电场分布。,46,电流对电子注性能的影响,电子注的偏心和速度零散随之变大。,原因：空间电荷效应加大,47,电流为,2A,时电子注轨迹,电子注的波动和厚度较,0.1A,时明显变大 ！,48,对枪内物理过程的分析,（,1,）具有一定厚度的大回旋电子注。,电子注角向分布,电子注电流密度分布,49,（,2,）电场的基本作用是会聚的。,电子枪区等位线分布,50,（,3,）引导中心漂移补偿法与传统方法设计的根本差别是：,传统方法：关注枪区电子束的层流性，关注减小倒向区前电子束的横向能量，关注电子注进入倒向点的径向位置，并使倒向区尽可能短，尽可能逼近理想的,Cusp,磁场。,引导中心漂移补偿法：并不是一步一步的追踪这些因素，重视的是阴极发射体和磁场的相对位置以保证合理的正则角动量初值及初值的零散。,51,（,4,）第二步是调整电极形状，改变枪区电场以尽量减小引导中心半径。,（,5,）当电流加大，空间电荷效应明显时，电子注的参量会变坏，通过适度调节枪区电极形状可以获得一定程度的改善。,（,6,）由于发射点的磁场对电子注质量有致命的影响，需对阴极区磁场给予高度关注。,52,内容提要,一、引导中心漂移补偿法的基本思路,二、枪型,I,：新型缓变倒向场大回旋电子枪,三、枪型,I,在三次谐波潘尼管中的应用,四、枪型,II,：磁控注入式大回旋电子枪,五、枪型,II,：永磁包装三次谐波潘尼管电子枪,53,三次谐波潘尼管的结构及设计结果,横截面和纵向剖面图,电压,(kV),43.5,电流,(A),1.45,速度比,/,z,2.5,磁场,(T),0.396,槽数,4,模式,2,轴向模式数,1,电子注半径,(mm),1.62,槽深比,b/a,2.42,槽内径,(mm),2.1,腔长,(mm),50,固有品质因子,Q,0,6363,外观品质因,Q,ext,923,有载品质因子,Q,L,806,54,横向场、纵向场分布,55,56,束质量对器件性能的影响,速度比对器件性能的影响,速度比的最佳值是,2.2,，并不是越大越好！,57,58,59,60,三次谐波,Peniotron,对电子注的要求,电压,(kV),43.5,电流,(A),1.45,速度比,/,z,2.2,磁场,(T),0.396,电子注半径,(mm),1.62,速度零散,10%,引导中心偏移,10%,61,三次谐波潘尼管电子枪设计结果,工作电压,43.5kV,纵向速度零散,4.78%,工作电流,1.45A,速度比,2.2,阴极半径,11.5mm,速度比零散,4.88%,发射带宽,1mm,偏心,7.18%,主磁场,0.396T,电子注半径,1.62mm,62,三次谐波潘尼管综合研究,电子枪驱动三次谐波潘尼管示意图,63,磁系统平移对器件性能的影响,磁系统平移对束性能的影响,64,能量不再集中，器件效率下降！,相对能量分布,z,=-0.6mm,相对能量分布,z,=0.6mm,65,相对能量分布,z,=0mm,输出功率,31.9kW,，器件效率,49.4%,。,66,内容提要,一、引导中心漂移补偿法的基本思路,二、枪型,I,：新型缓变倒向场大回旋电子枪,三、枪型,I,在三次谐波潘尼管中的应用,四、枪型,II,：磁控注入式大回旋电子枪,五、枪型,III,：永磁包装三次谐波潘尼管电子枪,67,关键：小回旋电子束运行到,离轴最近的点处到达,Zc,z,c,68,磁控注入式大回旋电子枪结构,阴极发射带平行于系统轴线和磁力线；,发射带宽,3mm,，电流高达,4A,。,第一阳极,U1,0.6kV,第二阳极,U2,50kV,电流,I,4A,阴极宽度,rc,3mm,主磁场,B0,0.6T,横向速度零散,0.65%,纵向速度零散,1.82%,偏心,6.1%,速度比,1.67,69,电子注在出口处横向分布,电子注电流密度分布,绕轴大回旋运动，偏心很小。,方 案 可 行！,70,U1,，,U2,：调节偏心和速度零散。,U2,：大范围调节速度比,U1,：微调速度比,71,内容提要,一、引导中心漂移补偿法的基本思路,二、枪型,I,：新型缓变倒向场大回旋电子枪,三、枪型,I,在三次谐波潘尼管中的应用,四、枪型,II,：磁控注入式大回旋电子枪,五、枪型,III,：永磁包装三次谐波潘尼管电子枪,72,回旋器件永磁包装的意义,超导系统或常温线包磁体较为庞大、笨重、造价高。,永磁包装的优点：轻便；磁场性能稳定、寿命长。,B,0,=0.396T,， 有,5%,左右可调。,均匀区宽度,40-50mm,，,阴极倒向磁场区的磁场分布应与电子枪匹配。,三次谐波潘尼管对磁体的要求：,73,永磁材料：钕铁硼,尺寸：内径,120mm,，外径,230mm,，宽,55mm,重量：,26.6kg,极靴材料：,A3,钢，总重为,40kg,螺旋线包 ：,5%,左右的可调量。,整个磁系统：轴长,280mm,，直径,300mm,。,总重：,100kg,左右，结构比较紧凑。,74,永磁系统沿轴磁场分布,75,轴上,部分输出数据,Z(mm,),B,（,T,）,7.66386555e+001,-1.23977996e-001,8.87394958e+001,-1.15389174e-001,1.00840336e+002,-9.61553793e-002,1.12941176e+002,-7.28171899e-002,1.25042017e+002,-4.73812262e-002,1.37142857e+002,-1.87975617e-002,1.49243697e+002,2.57976078e-002,2.01680672e+002,3.90922935e-001,2.05714286e+002,3.95225609e-001,2.09747899e+002,3.96782489e-001,2.13781513e+002,3.96819754e-001,2.17815126e+002,3.96672468e-001,2.21848739e+002,3.96004614e-001,2.25882353e+002,3.95465303e-001,2.29915966e+002,3.95327002e-001,2.33949580e+002,3.95510232e-001,2.37983193e+002,3.95974714e-001,2.42016807e+002,3.96556435e-001,2.46050420e+002,3.96905942e-001,2.50084034e+002,3.96731218e-001,2.54117647e+002,3.94971271e-001,2.58151261e+002,3.91381405e-001,均匀区磁场值约为,0.396T,，,长度约为,50mm,。,不均匀度小于,0.5,。,76,电子枪结构,电子枪各参数与潘尼管要求的对比,潘尼管,达到指标,工作电压,U,43.5kV,43.5kV,工作电流,I,1.45A,1.45A,速度比,2.0,2.03,速度零散,z,10%,4.48%,速度比零散,10%,5.77%,偏心,r,g,10%,6.97%,77,输出功率,35.4kW,，器件效率,56.0%,。,电子注相对能量分布,78,永磁包装潘尼管系统设计,2,和,5.,左右磁体，,3.,磁轭，,4.,线圈，,15.,阴极组体，,13.,阳极与漂移管组体，,12.,腔体，,10.,输出波导，,9.,输出窗，,永磁包装潘尼管结构示意图,79,论文的主要内容总结,（,1,）深入研究了大回旋电子注形成基本理论和传统设计方法对磁场要求过分苛刻的缺陷，提出了任意缓变倒向场大回旋电子枪的设计理论,引导中心漂移补偿法。,（,2,）设计了一支低速度零散、偏心较小的大回旋电子枪。该电子枪利用实际磁系统可获得的倒向场，计及了结构设计的要求，降低了制管工艺和结构的复杂性。,80,（,3,）对缓变倒向场电子枪驱动三次谐波潘尼管系统进行了综合研究。在该电子枪的驱动下，计及电子注,7.18%,的偏心与,4.78%,的速度零散，大信号程序显示该三次谐波潘尼管可获得,33.5kW,的输出功率，效率达到,54.3%,。,（,4,）提出了利用磁控注入枪来产生大回旋电子注的新方案，并设计了宽阴极发射带、大电流工作的磁控注入式大回旋电子枪，偏心为,6.1%,、速度零散仅为,1.82%,、速度比为,1.67,，电流高达,4A,。为大电流大回旋电子束的设计提供了一条新途径。,81,（,5,）设计了一个永磁包装三次谐波潘尼管电子枪，该枪能产生速度比,2.03,、速度零散,4.48%,、偏心,6.79%,的大回旋电子注。在该大回旋电子枪的驱动下，潘尼管功率可达,35.4kW,，效率可达,56.0%,。该永磁系统体积小、结构紧凑，总重量在,100kg,左右，为实际研制永磁包装潘尼管打下了基础。,82,Thank you!,83,