高功率径向电子束混合聚焦系统优化设计

发布时间：2020-01-17 20:29

【摘要】：高效率、高功率和小型化是目前大多数高功率微波源的主要发展方向。由于径向电子束具有较大的发射截面,在相同输入电流的条件下其自身的束流密度和空间电荷效应较低,因此可以在较低的外加引导磁场强度的同时获得较高的束波转换效率,进而减小产生引导磁场的励磁系统的功耗与重量,这有利于实现高功率微波源的小型化和高效率。高功率径向电子束聚焦系统设计是径向高功率微波源研制的关键问题之一,而目前关于高功率径向电子束聚焦系统的研究相对较少。在此背景下,本文在已有研究的基础上,对基于永磁体和螺线圈混合结构的高功率径向电子束聚焦系统进行了优化设计。论文的主要工作有:首先,介绍了径向电子束混合聚焦系统设计的相关理论,包括径向电子束空间电荷场分布的理论、浸没式聚焦径向电子束传输特性的基本原理、轴向磁场对浸没式聚焦径向电子束传输的影响以及螺线圈产生脉冲磁场的原理。然后,对高功率径向电子束混合聚焦系统的磁场分布进行了优化设计。采用浸没式聚焦方式,仿真研究了在不同磁场分布下400kV、30kA径向电子束稳定传输的束轨迹,根据电子束的束波动规律优化了聚焦径向电子束所需的磁场分布,研究了一对通以相反电流的螺线圈磁场分布和一对轴向磁化的永磁体磁场分布,在此基础上设计了基于永磁体与螺线圈混合结构的径向电子束聚焦系统磁场分布。仿真结果表明混合聚焦系统磁场的轴向分量增加了电子束的束波动和减小了电子束的束宽度;400kV、30kA径向电子束在设计的聚焦系统磁场下能以小波动稳定传输。最后,对混合聚焦系统中的螺线圈进行了设计。分析了螺线圈的缠绕方式对径向电子束聚焦系统的供电系统的影响,结果表明与单线绕制螺线圈回路相比,双线绕制螺线圈回路脉冲电流前沿更短,脉冲电流宽度更窄,所需电容更小,更有利于径向电子束聚焦系统的小型化;仿真研究了线圈激励电流角频率、阳极壁与径向传输线的壁厚和电导率对螺线圈脉冲引导磁场的影响;在此基础上对混合聚焦系统中的双线绕制螺线圈进行了综合设计,螺线圈在通过最大电流时刻为1.099ms时产生引导电子束稳定传输的引导磁场,由于设计的螺线圈磁场的脉冲时间为ms量级,而同轴无箔二极管产生与传输电子束的时间为ns量级,因此在径向电子束稳定传输的过程中,螺线圈引导磁场可视为稳恒磁场,可保证电子束在设计的聚焦系统磁场中稳定传输。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN015;TN101

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