一种应用于高功率微波源的轻型化周期性磁场线圈制造技术

本发明专利技术公开了一种应用于高功率微波源的轻型化周期性磁场线圈，高功率微波源包括径向渡越时间振荡器，周期性磁场线圈包括多段均匀间隔设置在径向渡越时间振荡器束波互作用区外壁上的励磁线圈，每个励磁线圈均包括相对设置在束波互作用区外壁两侧的多层密绕螺线管，位于束波互作用区同一侧的多个螺线管呈直线排列，位于束波互作用区外壁同一侧的相邻两螺线管之间设有绝缘体；各螺线管通电后在束波互作用区电子束通道中产生的叠加磁场B(r)呈余弦分布；其中，叠加磁场的峰值B0为修正后的相对论条件下的电子束的布里渊磁场B

【技术实现步骤摘要】
一种应用于高功率微波源的轻型化周期性磁场线圈


[0001]本专利技术属于真空电子学领域，更具体地，涉及一种应用于高功率微波源的轻型化周期性磁场线圈。

技术介绍

[0002]高功率微波技术是指输出功率在100MW至100GW、频率在100MHz至100GHz的电磁波的产生、传输、测量和应用等技术。高功率微波源由高频结构中的强流相对论电子束和本征模场之间的能量交换而产生微波。微波源是高功率微波系统的核心，它的前级为脉冲驱动源，后级为模转和辐射天线。高功率微波在许多方面都有应用，如定向能、电子对抗和等离子体加热等。为了满足这些领域的应用需求，器件的轻小型化是一个研究热点。
[0003]在径向渡越时间振荡器中，强流相对论电子束会在高频场的同步作用下形成密度群聚。随着群聚的不断增长，群聚电子束的空间电荷密度也不断增大，其空间电荷排斥力不断增强，另外再叠加上电子之间本身的空间排斥力，电子束的传输会变得杂乱无序，电子轰击到金属表面导致射频击穿会产生等离子体，影响与本征模场的能量交换，进而降低器件的工作效率。
[0004]一般采用外加导引磁场来产生聚束力，聚焦和导引强流相对论电子束。这种磁场通常是均匀的，由若干个大小相等的励磁线圈产生感应磁场，在空间上相互挤压形成。事实上，如果仅仅为了达到导引电子束的目的，磁场线圈的结构还有很大的改进空间。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种应用于高功率微波源的轻型化周期性磁场线圈，在保证径向强流相对论电子束的稳定传输的前提下，减轻外加磁场线圈重量，满足器件轻小型化的要求。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种应用于高功率微波源的轻型化周期性磁场线圈，所述高功率微波源包括径向渡越时间振荡器，所述轻型化周期性磁场线圈包括多段均匀间隔设置在所述径向渡越时间振荡器束波互作用区外壁上的励磁线圈，每个励磁线圈均包括相对设置在所述束波互作用区外壁两侧的多层密绕螺线管，位于束波互作用区同一侧的多个所述螺线管呈直线排列，位于所述束波互作用区外壁同一侧的相邻两所述螺线管之间设有绝缘体；
[0007]各所述螺线管通电后在所述束波互作用区电子束通道中产生的叠加磁场B(r)呈余弦分布；其中，所述叠加磁场的峰值B0为修正后的相对论条件下的电子束的布里渊磁场B
b
的倍，所述叠加磁场B(r)的磁场参量α为0～0.66或1.72～3.76。
[0008]相比于传统采用均匀密绕励磁线圈的导引磁场线圈，本专利技术提供的应用于高功率微波源的轻型化周期性磁场线圈，采用多段均匀间隔设置的励磁线圈，每个励磁线圈均包括相对设置在径向渡越时间振荡器束波互作用区外壁两侧的多层密绕螺线管，且束波互作用区外壁同一侧的相邻两螺线管之间设有绝缘体，能有效减轻整个线圈的重量；同时通过
调控各螺线管通电后产生的叠加磁场位形、峰值B0和磁场参量α，可减少电子束的波动，保证电子束在电子通道内的稳定传输。
[0009]在其中一个实施例中，所述布里渊磁场B
b
的计算公式为：
[0010][0011]所述相对论条件下的电子束的布里渊磁场B
b
的修正系数k的计算公式为：
[0012][0013]式中，I0表示径向渡越时间振荡器中流入二极管的电流，单位为A；U表示径向渡越时间振荡器中二极管两端的电压；a表示径向渡越时间振荡器中二极管产生的电子束半径，单位为mm；ε0表示真空介电常数；η0表示电子的荷质比，单位为kV；γ表示相对论因子，m0表示静止质量，m表示相对论质量，c表示光速，e表示基本电荷。
[0014]在其中一个实施例中，所述磁场参量α的计算公式为：
[0015][0016]式中，L表示单个螺线管的长度。
[0017]在其中一个实施例中，所述叠加磁场B(r)的周期长度z根据相对论条件下电子束的边缘电子的轨迹方程计算得到，所述相对论条件下电子束的边缘电子的轨迹方程为：
[0018][0019]式中，R表示电子束归一化后的束半径，r表示电子束半径；r0表示电子束余弦平均半径；β表示电子束的空间电荷参量，
[0020]在其中一个实施例中，同一侧相邻的两螺线管通入大小相等、方向相同的电流，相对设置的两螺线管通入大小相等、方向相反的电流，使得各所述螺线管在束波互作用区电子束通道中产生的叠加磁场B(r)呈余弦分布。
[0021]在其中一个实施例中，各所述螺线管的供电电流I根据各所述螺线管的配置参数进行相应设置，所述供电电流I的计算公式为：
[0022][0023]式中，叠加磁场j表示连续电流分布时的电流密度，j＝NI/[2L0(R2‑
R1)]；R1、R2对应表示各螺线管的内、外半径；2L0表示螺线管总长度的一半；N表示螺线管的总匝数。
[0024]在其中一个实施例中，各所述螺线管的配置参数根据所述径向渡越时间振荡器束波互作用区的尺寸进行相应设置。
[0025]在其中一个实施例中，各所述螺线管均采用直径为4mm的铜芯漆包线绕制而成。
[0026]在其中一个实施例中，所述绝缘体采用绝缘电木。
附图说明
[0027]图1是本专利技术提供的电子束在周期性余弦磁场作用下的波动情况图；
[0028]图2是本专利技术一实施例提供的轻型化周期性磁场线圈在径向渡越时间振荡器上的分布情况图；
[0029]图3是本专利技术一具体实施例中轻型化周期性磁场线圈内各螺线管的排布示意图；
[0030]图4是本专利技术一具体实施例中叠加磁场的分布图；
[0031]图5是本专利技术一具体实施例中电子束在电子通道内的传输图；
[0032]图6是本专利技术一具体实施例中微波输出功率图。
具体实施方式
[0033]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0034]为解决传统应用于径向渡越时间振荡器中的导引磁场线圈重量重的问题，本专利技术提供了一种应用于高功率微波源的轻型化周期性磁场线圈，在保证径向渡越时间振荡器中电子通道内径向强流相对论电子束的稳定传输的前提下，可减轻线圈重量，满足器件轻小型化的要求。
[0035]需要说明的是，通过在径向渡越时间振荡器上外加导引磁场线圈来保证强流相对
论条件下电子束稳定传输，需满足如下条件：
[0036](1)导引磁场线圈为非浸没式聚焦方式(电子发射面处的磁场为零)；
[0037](2)导引磁场线圈所产生的磁场满足余弦分布，即(B0为磁通密度峰值，z为周期长度)；
[0038](3)径向无空间电荷电场；
[0039](4)导引磁场线圈所产生的磁场在所有的电子束截面是均匀的。
[0040]通过外加导引磁场线圈来保证电子束稳定传输的工作原理为：通过导引磁场线圈产生的周期性余弦磁场对电子束施加一较强的会聚力，这个力不仅能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于高功率微波源的轻型化周期性磁场线圈，所述高功率微波源包括径向渡越时间振荡器，其特征在于，所述轻型化周期性磁场线圈包括多段均匀间隔设置在所述径向渡越时间振荡器束波互作用区外壁上的励磁线圈，每个励磁线圈均包括相对设置在所述束波互作用区外壁两侧的多层密绕螺线管，位于束波互作用区同一侧的多个所述螺线管呈直线排列，位于所述束波互作用区外壁同一侧的相邻两所述螺线管之间设有绝缘体；各所述螺线管通电后在所述束波互作用区电子束通道中产生的叠加磁场B(r)呈余弦分布；其中，所述叠加磁场的峰值B0为修正后的相对论条件下的电子束的布里渊磁场B
b
的倍，所述叠加磁场B(r)的磁场参量α为0～0.66或1.72～3.76。2.根据权利要求1所述的应用于高功率微波源的轻型化周期性磁场线圈，其特征在于，所述布里渊磁场B
b
的计算公式为：所述相对论条件下的电子束的布里渊磁场B
b
的修正系数k的计算公式为：式中，I0表示径向渡越时间振荡器中流入二极管的电流，单位为A；U表示径向渡越时间振荡器中二极管两端的电压；a表示径向渡越时间振荡器中二极管产生的电子束半径，单位为mm；ε0表示真空介电常数；η0表示电子的荷质比，单位为kV；γ表示相对论因子，m0表示静止质量，m表示相对论质量，c表示光速，e表示基本电荷。3.根据权利要求1所述的应用于高功率微波源的轻型化周期性磁场线圈，其特征在于，所述磁场参量α的计算公式为：式中，L表示单个螺线管的长度。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海涛，杨超超，崔言程，朱丹妮，袁玉章，谢明亮，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：