CN109241638B - 回旋管收集极收集轮廓设计方法及回旋管收集极和回旋管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回旋管收集极收集轮廓设计方法及回旋管收集极和回旋管。提出了一种电子轨迹逆向追踪法：根据外加引导磁场分布曲线，收集极收集轮廓方程和电子注运动轨迹方程推导出收集密度函数，并建立收集密度函数与收集轮廓、磁场分布之间的关系；通过讨论收集均匀性与外加磁场、收集面积的关系，从而反推出在匀化收集时所需的收集轮廓和磁场分布。由磁场分布可得到电子运动轨迹，并利用该收集轮廓设计出相应的曲面收集极结构，据此，在保证一定功率容量的前提下，实现了收集面积的最大化以及收集的均匀性。一种回旋管收集极，其包括中空的散热结构，散热结构的内部轮廓为根据上述方法设计的收集轮廓。一种回旋管，其包括上述的回旋管收集极。

Description

回旋管收集极收集轮廓设计方法及回旋管收集极和回旋管

技术领域

本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种回旋管收集极收集轮廓设计方法及回旋管收集极和回旋管。

背景技术

回旋管是基于电子回旋脉塞的高功率毫米波放大器，由磁控注入电子枪、高频互作用系统、收集极和输出窗等组成，能够在毫米波频率范围内产生高脉冲功率和高平均功率。其中，收集极作为有效收集注波互作用后弹簧的部件，是电真空器件稳定工作的重要保障条件。

设计回旋管收集极结构时，常规方法的设计过程为：在给定引导磁场的情况下，得出电子注的运动轨迹，当收集极的收集轮廓已知时，可以推导出电子注收集密度函数，从而得出收集极对应的功率容量。但利用该方法得到的是非均匀收集，收集极功率容量受限，且收集面积较为集中，导致收集极局部温度过高。在高功率实验中，若收集极工作温度过高，会导致器件真空度下降，进而出现击穿打火现象，若温度进一步提升，将导致收集极溶毁的现象，严重抑制了回旋行波管的整管性能及其工作寿命。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明旨在提供一种有效提高回旋行波管收集极收集面积与收集均匀性的回旋管收集极收集轮廓设计方法及回旋管收集极和回旋管。

为了达到上述发明创造的目的，本发明采用的技术方案为：

在常规方法的基础下，利用逆向思维，提出了一种电子轨迹逆向追踪法，即：根据外加引导磁场分布曲线，收集极收集轮廓方程和电子注运动轨迹方程推导出收集密度函数，并建立出收集密度函数与收集轮廓、磁场分布之间的关系；进一步地，通过讨论收集均匀性与外加磁场、收集面积的关系，从而反推出在匀化收集时所需的收集轮廓和磁场分布。由磁场分布可得到电子运动轨迹，并利用该收集轮廓设计出相应的曲面收集极结构，据此，在保证一定功率容量的前提下，实现了收集面积的最大化以及收集的均匀性。

提供一种回旋管收集极收集轮廓设计方法，包括如下步骤：

(1)根据回旋管收集极的收集总耗散功率P_loss和单位面积收集容量P_s，计算收集面积S；

(2)根据收集面积S，计算收集轮廓曲线r_w(z)：

(2.1)根据收集面积S，计算收集轮廓所对应的最优轴向长度L₀；

(2.2)根据最优轴向长度L₀，计算收集轮廓曲线r_w(z)：

其中，

B(z)为收集极处的轴向磁场，B₀为互作用区磁场，r_l0为互作用区拉莫半径，r′_gmax(z)为引导中心半径r′_g(z)的最大值，

r_g0为互作用区引导中心半径；

(3)根据收集轮廓曲线r_w(z)，确定收集轮廓。

进一步地，收集轮廓所对应的最优轴向长度L₀通过以下计算方法得到：

(1)计算收集极半径下降r′_l时，收集轮廓所对应的轴向长度L₁：

其中，r_l＝γm₀v_⊥0/eB₀为电子回旋半径，γ为相对论因子，m₀为电子质量，v_⊥0为电子注在互作用区的横向速度，e为电子电荷，r_gmax为引导中心外缘半径，

μ₀为自由空间导磁系数，I₀为工作电流，N为线圈匝数，z为收集极Z轴方向坐标；

(2)根据轴向长度L₁，计算电子注回旋一个π相位时所对应的长度L₂：

其中，Δr_g为引导中心外缘半径和引导中心半径的间距，v₀为互作用区电子注的总速度；

(3)根据轴向长度L₁和电子注回旋一个π相位时所对应的长度L₂，确定最优轴向长度L₀。

进一步地，最优轴向长度L₀通过以下方法确定：

当z∈(0，2000)时，计算z所对应的所有L₁值和L₂值；并选取所有L₁＞5L₂中最小的L₁作为最优轴向长度L₀。

进一步地，收集轮廓通过以下方法确定：

(1)选取下列方程解中的最小z值对应的点作为收集轮廓的起点：

其中，θ₁为第一电子注进入收集极时的初始相位；

(2)选取下列方程解中的最大z值对应的点作为收集轮廓的终点：

其中，θ₂为第二电子注进入收集极时的初始相位；

(3)将根据收集轮廓曲线、收集轮廓的起点和收集轮廓的终点确定的轮廓线段绕z轴旋转360⁰所得的轮廓即为收集轮廓。

另提供一种采用上述设计方法设计的回旋管收集极，其包括中空的散热结构，散热结构的内部轮廓为根据上述设计方法设计的收集轮廓。

进一步地，散热结构的半径为跟随收集轮廓的形状渐变的。

进一步地，散热结构包括散热本体，散热本体外部的上部和下部均设置有多个散热片。

进一步地，所有散热片纵向形成直槽型通道式结构。

进一步地，所有相邻散热片之间的间距相同。

还提供一种包括上述任一回旋管收集极的回旋管。

本发明的有益效果为：

本发明根据解旋磁场的渐变特性及电子注变螺旋运动，建立电子注截获轨道分布概率理论模型，预测收集极电子注密度分布，采用大面积均匀收集准则，设计出与之匹配的创新型收集轮廓。该收集轮廓有效提高了回旋行波管收集极收集面积与收集均匀性。此外，该模型取代了穷举优化法，大幅提升了设计速度，能准确预测收集极截获电子位置分布和轰击能量分布，为高效收集极结构设计奠定了坚实的理论基础。

采用上述设计方法设计的回旋管收集极，在其他条件相同的情况下，收集极面积从均匀波导结构的30cm²增大至100cm²，提升了3倍以上；表面耗散功率密度峰值从均匀波导结构的0.9kW/cm²降至0.35kW/cm²。

附图说明

图1为回旋螺距L₂与收集极处的轴向磁场B(z)关系图；

图2为渐变磁场下的收集密度分布图；

图3为分层电子注相切收集密度分布图；

图4为不同L₁与L₂下的收集均匀情况图；

图5为同一环带上的电子注分布图；

图6为具体实施例的回旋管收集极结构示意图；

图7为图6的剖视示意图；

图8为图6的侧视示意图；

图9为图6的俯视示意图。

其中，1、收集轮廓；2、散热结构；3、散热片。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做详细说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，下文所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。在不脱离所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，本领域普通技术人员在没有做出任何创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

一种回旋管收集极收集轮廓设计方法，具体如下：

1.根据回旋管收集极的收集总耗散功率P_loss和单位面积收集容量P_s，计算收集面积S：

2.根据收集面积S，计算收集轮廓所对应的最优轴向长度L₀：

2.1根据收集极处的轴向磁场B(z)，利用对应待定的收集轮廓方程r_w(z)和电子注运动轨迹方程r(z)推导出收集密度方程

在实际大功率回旋器件中，进入收集极的电子注为分层电子注，收集区磁场为渐变磁场。此时，收集轮廓方程为：

其中，z为电子注的Z轴坐标，L₁为收集极半径下降r′_l(z)时，收集轮廓所对应的轴向长度，

为拉莫半径，B₀为互作用区磁场，r_l0为互作用区拉莫半径，r′_gmax(z)为引导中心半径r′_g(z)的最大值，

r_g0为互作用区引导中心半径。

渐变磁场下电子注轨迹方程r(z)为：

其中，θ₀为电子注初始相位，e为电子电荷，γ为相对论因子，m₀为电子质量，v₀为互作用区电子注的总速度，v_⊥0为电子注在互作用区的横向速度。

当收集极处的磁场分布与电子注初始状态确定后(即互作用区引导中心半径r_g0，电子回旋半径r_l＝γmv_⊥0/eB₀，电子注初始相位θ₀确定)，当电子注轨迹r(z)＝r_w(z)时，电子被收集极截获，即被收集。由此，得到每一分层电子注的收集密度方程

为：

其中，z₁、z₂分别为收集极z轴方向的起止坐标，Δr_g为引导中心外缘半径和引导中心半径的间距。

将每一分层电子注的收集密度方程沿引导中心分布范围r_gmin≤r_g≤r_gmax进行积分然后归一化处理，得到总的分层电子注密度方程

为：

其中，r_g＝r_gmax-Δr_g为引导中心半径，r_gmax为引导中心外缘半径，r_gmin为引导中心最内层半径，Δr_gmax为引导中心最内层与外缘半径的间距，式(5)中第一项对应相交收集密度，第二项对应相切收集密度，表明分层电子注的收集密度方程与引导中心分布和电子回旋半径的比例

收集极倾角α

电子回旋角β

有关，L₂为电子回旋一个π相位时所对应的长度，即回旋螺距。当α>β时，L₁<L₂且以相交收集占优；当α＝β时，L₁＝L₂且两种收集方式相当；当α<β时，L₁>L₂且以相切收集占优。

2.2根据收集密度方程

分析收集极处的轴向磁场B(z)与收集均匀性的关系，确定均匀收集时收集极所需条件，并确定收集极处的磁场B(z)：

根据回旋螺距L₂的方程，分析收集极处的轴向磁场B(z)与回旋螺距L₂的关系：

在渐变磁场中，回旋螺距L₂为：

由上式可知，回旋螺距L₂与收集极处的轴向磁场B(z)有关。如图1所示，随着收集极处的轴向磁场的逐渐下降，回旋螺距L₂逐渐增大。

根据上述关系，确定收集均匀所需满足的条件：

如图2所示，渐变磁场下的分层电子注在收集过程中，相交收集密度为均匀分布，而不同分层电子注在收集时由于受的磁场不同，相切收集密度方程会随磁场变化。

如图3所示，当磁场变化斜率逐渐变小，单层电子注收集的等效回旋螺距变化越小，收集均匀性越好，当收集磁场分布斜率变化为零时，渐变收集轮廓收集就转换为直线收集轮廓收集，渐变磁场变为均匀磁场，收集密度就成为“准矩形”，收集均匀性最佳，此时有收集形状f(z)→1。

如图4所示，若给定收集极处的磁场分布为渐变磁场，且当收集极等效倾角远小于电子等效回旋角(α＜＜β，即L₁＞5L₂)时，在收集过程中相切收集占优，收集均匀性逐步提升，渐变磁场收集密度方程趋近于均匀磁场收集时“准矩形分布”。其中max(L₂)为渐变磁场下最内侧的分层电子注在收集过程中的回旋螺距。

结合上述可知，提高渐变磁场收集均匀性的最有效方式为减小磁场斜率；当收集极区域的磁场分布给定之后，为保障相切收集占优，需满足条件：

α＜＜β，即L₁＞5L₂ (7)

根据上述条件，确定收集极所需的磁场分布；

收集极所需的磁场分布选择线包磁场远区场，即：

其中，μ₀为自由空间导磁系数，I₀为工作电流，N为线圈匝数。由上式可知：给定Δr_g/r_l后，B(z)与z轴上的位置有关，即与L₁有关，L₁越大，B(z)越大，结合公式(6)，L₂越小。同时，减小收集极磁场斜率的方法有两种：一是让电子注在远离磁场均匀区(注波互作用区)处收集；二是通过增加补偿磁场线包的方式来进一步增加收集极区域的磁场均匀性。

2.3当满足均匀收集所需条件时，通过分析收集面积S与磁场B(z)的关系，确定最优轴向长度L₀：

当引导中心分布与电子回旋半径相等时(即当Δr_g＝r_l)，且给定磁场B(z)后，收集面积S为：

结合公式(1)和(9)，可得到L₁，它是关于z的函数。选取一个z值后，可唯一确定L₁，进一步地由公式(6)确定L₂。当z∈(0，2000)时，计算z所对应的所有L₁值和L₂值；并选取所有L₁＞5L₂中最小的L₁作为最优轴向长度L₀；

3根据最优轴向长度L₀，计算收集轮廓曲线r_w(z)：

其中，

4确定收集轮廓：

收集轮廓的起止位置由电子注轨迹决定。当r(z)＝r_w(z)时，电子注开始被收极截获，即被收集，其对应的位置为所需收集轮廓的起止点。

如图5所示，电子注均匀分布在同一回旋半径环带上，环带位置不同的电子注将轰击到不同的收集极位置。设电子注做顺时针回旋运动，且第一电子注首先进入收集极，与第一电子注相差一个²π相位的为第二电子注。

4.1确定收集轮廓的起点：

选取下列方程解中的最小z值对应的点作为收集轮廓的起点：

其中，θ₁为第一电子注进入收集极时的初始相位。

4.2确定收集轮廓的终点：

选取下列方程解中的最大z值对应的点作为收集轮廓的终点：

其中，θ₂为第二电子注进入收集极时的初始相位。

4.3将根据收集轮廓曲线、收集轮廓的起点和收集轮廓的终点确定的轮廓线段绕z轴旋转360°所得的轮廓即为收集轮廓。

另外，根据上述设计方法设计了一种回旋管收集极。如图6、图7、图8和图9所示，该回旋管收集极包括中空的散热结构2，散热结构2的内部轮廓为根据上述设计方法设计的收集轮廓1。

在实施时，本方案优选散热结构2的半径为跟随收集轮廓1的形状渐变的。散热结构2包括散热本体，散热本体外部的上部和下部均设置有多个散热片3。所有散热片3纵向形成直槽型通道式结构。为了保证收集极能够充分散热，所有相邻散热片3之间的间距相同，位于散热本体外部的上部和下部的散热片3的数量不同，位于散热本体外部上部的散热片3为位于散热本体外部下部的散热片3的分支，位于散热本体外部上部的散热片3数量为位于散热本体外部下部的散热片3数量的两倍。

具体的可以是收集轮廓1的高度为32.2mm，收集极一端的内径为12mm，另一端的内径为24mm，位于散热结构外部上部的散热片3数量为24片，位于散热结构外部上部的散热片3的数量为12片，相邻散热片3之间的间距均为1.8mm。

应用本回旋管收集极时，回旋管收集极截面较小的一端与回旋管的高频结构连接，截面较大的一端与回旋管的输出窗连接。

Claims (9)

1.回旋管收集极收集轮廓设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据回旋管收集极的收集总耗散功率P_loss和单位面积收集容量P_s，计算收集面积S；

(2)根据收集面积S，计算收集轮廓所对应的最优轴向长度L₀；

根据收集面积S，计算收集轮廓所对应的最优轴向长度L₀进一步包括：

(2.1)计算收集极半径下降r′_l(z)时，收集轮廓所对应的轴向长度L₁：

其中，r_l＝γm₀v_⊥0/eB₀为电子回旋半径，γ为相对论因子，m₀为电子质量，v_⊥0为电子注在互作用区的横向速度，e为电子电荷，r_gmax为引导中心外缘半径，

μ₀为自由空间导磁系数，I₀为工作电流，N为线圈匝数，z为收集极Z轴方向坐标；

(2.2)根据轴向长度L₁，计算电子回旋一个π相位时所对应的长度L₂：

其中，Δr_g为引导中心外缘半径和引导中心半径的间距，v₀为互作用区电子注的总速度；

(2.3)根据轴向长度L₁和电子注回旋一个π相位时所对应的长度L₂，确定最优轴向长度L₀；

(3)根据最优轴向长度L₀，计算收集轮廓曲线r_w(z)：

其中，

B(z)为收集极处的轴向磁场，z为电子注的Z轴坐标，B₀为互作用区磁场，r_l0为互作用区拉莫半径，r′_gmax(z)为引导中心半径r′_g(z)的最大值，

r_g0为互作用区引导中心半径；

(4)根据收集轮廓曲线r_w(z)，确定收集轮廓。

2.根据权利要求1所述的回旋管收集极收集轮廓设计方法，其特征在于，所述最优轴向长度L₀通过以下方法确定：

当z∈(0，2000)时，计算z所对应的所有L₁值和L₂值；并选取所有L₁＞5L₂中最小的L₁作为最优轴向长度L₀。

3.根据权利要求1或2所述的回旋管收集极收集轮廓设计方法，其特征在于，所述收集轮廓通过以下方法确定：

(1)选取下列方程解中的最小z值对应的点作为收集轮廓的起点：

其中，θ₁为第一电子注进入收集极时的初始相位；

(2)选取下列方程解中的最大z值对应的点作为收集轮廓的终点：

其中，θ₂为第二电子注进入收集极时的初始相位；

(3)将根据收集轮廓曲线、收集轮廓的起点和收集轮廓的终点确定的轮廓线段绕z轴旋转360°所得的轮廓即为收集轮廓。

4.回旋管收集极，其特征在于，包括中空的散热结构(2)，所述散热结构(2)的内部轮廓为根据权利要求1所述的方法设计的收集轮廓(1)。

5.根据权利要求4所述的回旋管收集极，其特征在于，所述散热结构(2)的半径为跟随所述收集轮廓(1)的形状渐变的。

6.根据权利要求5所述的回旋管收集极，其特征在于，所述散热结构(2)包括散热本体，所述散热本体外部的上部和下部均设置有多个散热片(3)。

7.根据权利要求6所述的回旋管收集极，其特征在于，所有散热片(3)纵向形成直槽型通道式结构。

8.根据权利要求7所述的回旋管收集极，其特征在于，所有相邻散热片(3)之间的间距相同。

9.回旋管，其特征在于，包括权利要求4至8任一所述的回旋管收集极。

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