一种用于回旋器件线圈磁体和电子枪协同优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于回旋器件线圈磁体和电子枪协同优化设计方法，属于微波毫米波技术领域。本发明专利技术首先建立多线圈位形参数与三维磁场分布间的映射关系；然后建立电子枪二维平面中的电势分布，在给定磁场分布下求解电子注运动轨迹；建立电子枪电极结构参数与电子注性能参数间的映射关系；再建立电子枪性能参数与电子枪电极形状和螺线管位形参数间的映射关系；最后建立评估电子注质量的适应度函数，引入全局优化算法实现电子枪性能的优化设计。本发明专利技术设计自由度高、通用性高，可实现高性能综合设计，并且还具有计算速度快、精度高、数值计算稳定性好的优势。算稳定性好的优势。算稳定性好的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种用于回旋器件线圈磁体和电子枪协同优化设计方法


[0001]本专利技术属于微波毫米波
，涉及真空电子
，具体涉及一种通用的回旋器件线圈磁体和电子枪协同优化设计。
技术背景
[0002]在毫米波波段，回旋器件具有明显的高功率优势。聚焦磁体为电子运动提供引导磁场，保障器件正常工作。其中，磁场上升区控制电子注成形，均匀区磁场保障电子与电磁波高效同步换能，磁场下降区用于电子解旋和收集。磁控式注入电子枪(以下简称电子枪)决定了电子注来源的质量，产生具有特定速度比和低速度离散的高质量电子是回旋器件高效注
‑
波互作用换能的先决条件。
[0003]在回旋器件设计中，传统方法是根据器件给出特定的磁场分布，通过磁场分布设计出对应的线圈组。或者通过固定的磁场分布和性能指标，去设计出与之匹配的器件结构。这种设计方法在优化的过程中，无法改变磁场分布，难以实现最优设计，并且随着回旋器件向高频率、高功率方向发展，电子枪设计面临的约束条件急剧增加。为提升回旋器件电子枪的设计自由度，满足强约束条件下的高性能设计需求，迫切需要一种快速精确的回旋器件电子枪和线圈磁体协同优化设计方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出了一种用于回旋器件线圈磁体和电子枪协同设计方法，建立了电子枪性能与电子枪电极形状和线圈磁体螺线管位形参数间的映射关系，通过引入全局优化算法可实现强约束条件下电子枪性能的优化设计。该方法开发了回旋器件线圈磁体和电子枪设计模块，其中线圈磁体设计模块建立了磁场分布与线圈位形参数间的映射关系，电子枪设计模块建立了给定磁场分布下的电子枪性能参数与电子枪结构参数间的映射关系，有效保障了数据接口统一和协同优化模型建立。
[0005]本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种用于回旋器件线圈磁体和电子枪协同优化设计方法，包括以下步骤：
[0007]S1、基于螺线管离轴磁场理论，建立多线圈位形参数与三维磁场分布间的映射关系。具体地：
[0008]螺线管线圈中心轴线上(r＝0)的任意位置z处的纵向磁场g(z)表示为：
[0009][0010]式中R
in
和R
out
分别为螺旋管线圈的最内侧和最外侧半径，t1＝z
‑
z0+L/2、t2＝z
‑
z0‑
L/2为中间变量，L和z0分别为螺线管的长度和轴向中心位置，μ0为自由空间的磁导率，Js＝I/d
r
d
z
为电流密度，I为导线电流，d
r
和d
z
分别为导线的径向宽度和轴向宽度。其中，电流密度Js与径向线圈匝数N
R
、轴向线圈匝数N
z
有关。
[0011]通过幂级数展开的方式导出离轴(r≠0)位置处的径向磁场b
r
(r,z)和纵向磁场b
z
(r,z)分量为：
[0012][0013][0014]式中r和z分别为径向位置和纵向位置，k为不小于零的整数。
[0015]多线圈螺线管的磁场分布表征为各个单线圈磁场分布的线性叠加，其径向磁场B
r
(r,z)和纵向磁场B
z
(r,z)的分布表示为：
[0016][0017][0018]其中，下标i表示线圈编号。式(4)和式(5)建立了多线圈的磁场分布B
r
(r,z)、B
z
(r,z)与各个线圈位形参数(R
in
,R
out
,N
R
,N
z
,I,z0)间的映射关系。
[0019]S2、给定电子枪的拓扑结构，建立电子枪二维平面中的电势分布；然后在给定磁场分布下求解电子注运动轨迹；最后建立电子枪电极结构参数与电子注性能参数间的映射关系。
[0020]给定电子枪的拓扑结构，利用电子枪的轴对称性，将电场的三维求解问题转换为二维电场求解问题，数值求解泊松方程(6)得到二维平面中的电势分布：
[0021][0022]式(6)中，u(r,z)为二维电势分布，ρ为空间电荷量，ε为空间的介电常数。
[0023]进一步地，给定电势分布u(r,z)下的电子注运动轨迹的求解过程包括以下步骤：
[0024]S21、x、y、z三个方向的磁场分量B
x
、B
y
、B
z
同时作用于电子的转向运动，得到由于磁场力的作用，在时间微元dt，电子速度矢量由v
n
变为v
n+1
，即：
[0025]v
n+1
＝v
n
H
ꢀꢀꢀ
(7)
[0026]H＝H
x
H
y
H
z
ꢀꢀꢀ
(8)
[0027]式中：
[0028][0029][0030][0031]其中，x、y、z三个方向的磁场分量B
x
、B
y
、B
z
对电子圆周运动的贡献分别对应各方向的角频率ω
x
、ω
y
、ω
z
，即：
[0032][0033]其中，电子电荷量e＝1.6
×
10
‑
19
C，电子静质量m0＝9.1
×
10
‑
31
kg，γ为相对论因子。
[0034]S22、在微元时间dt内电场E对电子动量的改变量ΔP
E
为：
[0035]ΔP
E
＝eE
·
dt
ꢀꢀꢀ
(13)
[0036]S23、电子在电场和磁场同时存在的复合场中，总的动量改变量ΔP为：
[0037]ΔP＝ΔP
E
+ΔP
B
＝eE
·
dt+m0γv
n
H
‑
m0γv
n
ꢀꢀꢀ
(14)
[0038]其中，ΔP
B
为磁场对电子动量的改变量。利用关系式P
n
＝m0γv
n
和ΔP＝P
n+1
‑
P
n
，其中P
n
、P
n+1
分别为n时刻、n+1时刻的总动量，最终可得：
[0039]P
n+1
＝eE
·
dt+m0γv
n
H
ꢀꢀꢀ
(15)
[0040]式(15)为电场和磁场同时存在的复合场中，时间微元dt内电子的动量演化规律。
[0041]S23、在相对论效应下，电子的速度矢量与动量间的关系为：
[0042][0043]其中，P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于回旋器件线圈磁体和电子枪协同优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于螺线管离轴磁场理论，建立多线圈位形参数与三维磁场分布间的映射关系；具体地：螺线管线圈中心轴线上r＝0的任意位置z处的纵向磁场g(z)表示为：式中R
in
和R
out
分别为螺旋管线圈的最内侧和最外侧半径，t1＝z
‑
z0+L/2、t2＝z
‑
z0‑
L/2为中间变量，L和z0分别为螺线管的长度和轴向中心位置，μ0为自由空间的磁导率，Js＝I/d
r
d
z
为电流密度，I为导线电流，d
r
和d
z
分别为导线的径向宽度和轴向宽度；其中，电流密度Js与径向线圈匝数N
R
、轴向线圈匝数N
z
有关；通过幂级数展开的方式导出离轴位置r≠0处的径向磁场b
r
(r,z)和纵向磁场b
z
(r,z)分量为：为：式中r和z分别为径向位置和纵向位置，k为不小于零的整数；多线圈螺线管的磁场分布表征为各个单线圈磁场分布的线性叠加，其径向磁场B
r
(r,z)和纵向磁场B
z
(r,z)的分布表示为：表示为：其中，下标i表示线圈编号；式(4)和式(5)建立了多线圈的磁场分布B
r
(r,z)、B
z
(r,z)与各个线圈位形参数间的映射关系；S2、给定电子枪的拓扑结构，建立电子枪二维平面中的电势分布；然后在给定磁场分布下求解电子注运动轨迹；最后建立电子枪电极结构参数与电子注性能参数间的映射关系；给定电子枪的拓扑结构，利用电子枪的轴对称性，将电场的三维求解问题转换为二维电场求解问题，数值求解泊松方程(6)得到二维平面中的电势分布：式(6)中，u(r,z)为二维电势分布，ρ为空间电荷量，ε为空间的介电常数；S3、综合S1和S2中的两个映射关系，建立磁控注入式电子枪性能参数与电子枪电极形状和螺线管位形参数间的映射关系；建立评估电子注质量的适应度函数f(α,Δβ
t
)，通过引入全局优化算法实现电子枪性能的优化设计。2.如权利要求1所述的一种用于回旋器件线圈磁体和电子枪协同优化设计方法，其特征在于，步骤2中，给定电势分布u(r,z)下的电子注运动轨迹的求解过程包括以下步骤：S21、x、y、z三个方向的磁场分量B
x
、B
y
、B
z
同时作用于电子的转向运动，得到由于磁场力
的作用，在时间微元dt，电子速度矢量由v
n
变为v
n+1
，即：v
n+1
＝v
n
H
ꢀꢀꢀꢀ
(7...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚叶雷，管博，黄海兵，蒋伟，李昊，罗勇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：