CN109860006A - 一种减小漂移管中电子拉莫尔回旋半径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种减小漂移管中电子拉莫尔回旋半径的方法，即将平行梯度磁场加载在圆柱漂移管中过渡区域z₀≤z≤z₁范围内，电子从均匀轴向磁场强度为B₀的区域经过过渡区域平行梯度磁场作用后进入轴向磁场强度为B₁的区域，B₁<B₀，过渡区域平行梯度磁场的B_r分量能够实现电子的横向动量和轴向动量的转化。当电子进入平行梯度磁场时径向速度沿径向向外，且离开平行梯度磁场时径向速度沿径向向内，平行梯度磁场作用使电子横向动量减小，进而抑制电子束径向振荡。将该方法应用于低磁场O型高功率微波产生器件中，能够提高波束互作用效率，有效避免电子轰击器件高频结构，降低强电磁场真空击穿的风险，有利于高功率微波产生器件高效稳定运行。

Description

一种减小漂移管中电子拉莫尔回旋半径的方法

技术领域

本发明属于束流传输领域，涉及一种减小漂移管中电子拉莫尔回旋半径的方法。

背景技术

电子束在漂移管中的传输是许多物理过程的基本问题。在O型高功率微波产生器件中，爆炸发射阴极产生的环形强流相对论电子束在引导磁场约束下轴向传输，并在器件高频结构中完成电子束能量向微波能量的转换。当引导磁场较低时，电子因径向电场产生的横向动量使其在漂移管中传输时具有较大的拉莫尔回旋半径，从而产生显著的径向振荡，可能导致部分电子轰击管壁，严重影响波束互作用效率并加剧强电磁场真空击穿。因此，减小漂移管中电子的拉莫尔回旋半径，进而抑制电子束径向振荡，对提高低磁场O型高功率微波产生器件的工作效率和稳定可靠性有重要意义。

目前国内外研究人员提出的减小漂移管中电子拉莫尔回旋半径、抑制电子束径向振荡的方法还较有限。其中一个重要的思路是减小电子在进入漂移管前的传输路径上的径向电场，从而降低电子注入漂移管时的横向动量。这方面的一个代表性设计是在阴极附近设置聚焦电极(Junpu Ling,et al.Rev.Sci.Instrum.2014,85:084702)。但聚焦电极的引入在减小电子传输路径上的径向电场的同时，也会减小阴极表面电场，从而限制了电流的提高；同时，聚焦电极表面电场往往较强，甚至可能超过阴极发射表面电场，导致聚焦电极容易发生击穿，从而限制了这种方法的实际应用。另一种重要的方法是在漂移管前端或者内部适当位置设置阳极箔，在一定程度上实现对传输的电子束的聚焦(林远超,等.强激光与粒子束,2009,21:875；E.M.Totmeninov,et al.IEEE Trans.Plasma Sci.2011,39:1150；Junpu Ling,et al.Phys.Plasmas 2014,21:023114)。但阳极箔的引入不可避免地会导致束流损失，且阳极箔在强流相对论电子束轰击下可能产生阳极等离子体，严重时可能发生破坏，从而限制了系统的重复频率工作能力。此外，学界也探索了通过优化磁场位形来减小电子横向动量。例如在漂移管前的二极管区域施加渐增磁场(李国林,国防科学技术大学硕士学位论文,2005)；这种方法在数值模拟中取得了横向动量较均匀引导磁场情形降低5％～10％的效果；除了效果较为有限外，该种方法在阴极处设置了较低的引导磁场，容易导致阴极发射不均匀，因此其未在实际中得到广泛应用。俄罗斯科学院大电流电子学研究所的K.V.Afanas’ev等人在研究低磁场相对论返波管时，采用了阴极区较强、慢波结构区较弱的非均匀引导磁场位形(K.V.Afanas’ev,et al.Tech.Phys.Lett.2006,32:925)，其有助于改善阴极发射均匀性，且研究人员也提到可以减小电子横向动量，但未做深入分析。国防科学技术大学的杨建华在其研究低磁场高功率微波产生器件的博士论文中采用过漂移管区渐减的引导磁场位形(杨建华,国防科学技术大学博士学位论文,2002)，其认为渐减磁场导致的拉莫尔回旋频率的降低将使电子横向动量成比例减小，但电子拉莫尔回旋半径未见明显减小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减小漂移管中电子拉莫尔回旋半径的方法，从而抑制电子束径向振荡，提高低磁场O型高功率微波产生器件的工作效率和稳定可靠性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种减小漂移管中电子拉莫尔回旋半径的方法，在半径为R_d的圆柱漂移管中施加角向均匀平行梯度磁场，平行梯度磁场区域长度为L，在始端z₀处的轴向磁感应强度为B₀，在末端z₁处的轴向磁感应强度为B₁，且B₁<B₀；z<z₀处的漂移管浸没在磁感应强度为B₀的均匀轴向引导磁场中，z>z₁处的漂移管浸没在磁感应强度为B₁的均匀轴向引导磁场中；当电子进入平行梯度磁场时径向速度沿径向向外，且离开平行梯度磁场时径向速度沿径向向内，经过平行梯度磁场作用后，电子横向动量减小，进而抑制电子束径向振荡。

进一步的，在z₁处，电子离开平行梯度磁场区域的出射相位满足：

进一步的，所施加平行梯度磁场的径向磁感应强度分量B_r和轴向磁感应强度分量B_z满足

且B_r/B_z≤0.2；在电子运动的横向截面上，以横向速度v_t与径向位移r的夹角表示电子相位；在z₀处，电子注入平行梯度磁场区域的入射相位满足：

其中v_t和v_z分别为电子在磁感应强度为B₀的均匀轴向引导磁场区域运动时的横向速度和轴向速度，v为电子速度，θ₀和θ₁分别为z₀和z₁处平行梯度磁场的磁场线与轴向夹角，其取值范围为2°≤θ₀≤15°，2°≤θ₁≤15°。对于曲率渐变的磁场线而言，θ₀和θ₁可取为：

其中0<l≤L/10。

本发明的有益效果是：

1、电子经过上述平行梯度磁场区域进入磁感应强度为B₁的均匀引导磁场区域后，横向动量显著减小，因此其拉莫尔回旋半径较小。

2、将该方法应用于低磁场O型高功率微波产生器件中，可以减小电子拉莫尔回旋半径，抑制电子束径向振荡，从而能够提高波束互作用效率，有效避免电子轰击器件高频结构，降低强电磁场真空击穿的风险，有利于高功率微波产生器件高效稳定运行。

附图说明

图1为本发明减小漂移管中电子拉莫尔回旋半径方法示意图；

图2为本发明电子运动横向截面示意图；

图3为本发明实施例的电子运动轨迹示意图；

其中：1-圆柱漂移管；2-电子拉莫尔回旋运动；3-平行梯度磁场的磁场线

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

如图1和图2所示，平行梯度磁场加载在圆柱漂移管中过渡区域z₀≤z≤z₁范围内，电子从均匀轴向磁场强度为B₀的区域经过过渡区域平行梯度磁场作用后进入轴向磁场强度为B₁的区域，B₁<B₀，过渡区域平行梯度磁场的B_r分量能够实现电子的横向动量和轴向动量的转化。当电子进入平行梯度磁场时径向速度沿径向向外，且离开平行梯度磁场时径向速度沿径向向内，平行梯度磁场作用使电子横向动量减小，进而抑制电子束径向振荡。

在相关参数选取上，电子在磁感应强度为B₀和B₁的均匀轴向引导磁场区域运动的引导中心径向位移R分别为R₀和R₁，且r_L<R₀<R₁<R_d，其中r_L为电子在磁感应强度为B₀的均匀轴向引导磁场区域运动时的拉莫尔回旋半径。所施加平行梯度磁场的径向磁感应强度分量B_r和轴向磁感应强度分量B_z满足

且B_r/B_z≤0.2。在电子运动的横向截面上，以横向速度v_t与径向位移r的夹角表示电子相位；在z₀处，电子注入平行梯度磁场区域的入射相位满足：

其中v_t和v_z分别为电子在磁感应强度为B₀的均匀轴向引导磁场区域运动时的横向速度和轴向速度，v为电子速度，θ₀和θ₁分别为z₀和z₁处平行梯度磁场的磁场线与轴向夹角，其取值范围为2°≤θ₀≤15°，2°≤θ₁≤15°。对于曲率渐变的磁场线而言，θ₀和θ₁可取为：

其中0<l≤L/10。在z₁处，电子离开平行梯度磁场区域的出射相位满足：

本发明的一种减小漂移管中电子拉莫尔回旋半径的实施例效果如图3所示，电子在半径R_d＝25mm的圆柱漂移管中运动，z<z₀＝0的区域浸没在磁感应强度为B₀＝1T的均匀轴向引导磁场中，电子横向动量v_t＝0.5×10⁸m/s，轴向动量v_z＝2.7×10⁸m/s，对应相对论因子γ＝2.49，拉莫尔回旋半径为r_L＝0.71mm。在z₀≤z≤z₁＝86.4mm范围内施加平行梯度磁场，其轴向磁感应强度分量B_z和径向磁感应强度分量B_r分别为：

其中B₁＝0.5T。z>z₁的区域浸没在磁感应强度为B₁的均匀轴向引导磁场中。在z<z₀的均匀轴向引导磁场区域，电子运动引导中心的径向位移R₀＝15mm。因此，z₀处平行梯度磁场的磁场线与轴向的夹角θ₀＝2.52°(取l＝5mm)。设置电子注入平行梯度磁场区域的入射相位＝63.90°。此时电子运动轨迹如图3所示。在z>z₁的均匀轴向引导磁场区域，电子运动引导中心的径向位移R₁＝21.2mm。在电子运动区域，平行梯度磁场的轴向磁感应强度分量B_z和径向磁感应强度分量B_r满足：

z₁处平行梯度磁场的磁场线与轴向的夹角θ₁＝6.81°(取l＝5mm)。此时：

电子离开平行梯度磁场区域的出射相位满足：

电子经过平行梯度磁场区域进入磁感应强度为B₁的均匀引导磁场区域后，横向动量减小到1.22×10⁵m/s，拉莫尔回旋半径减小到0.0035mm。

Claims (3)

1.一种减小漂移管中电子拉莫尔回旋半径的方法，其特征在于：在半径为R_d的圆柱漂移管中施加角向均匀平行梯度磁场，平行梯度磁场区域长度为L，在始端z₀处的轴向磁感应强度为B₀，在末端z₁处的轴向磁感应强度为B₁，且B₁<B₀；z<z₀处的漂移管浸没在磁感应强度为B₀的均匀轴向引导磁场中，z>z₁处的漂移管浸没在磁感应强度为B₁的均匀轴向引导磁场中；当电子进入平行梯度磁场时径向速度沿径向向外，且离开平行梯度磁场时径向速度沿径向向内，经过平行梯度磁场作用后，电子横向动量减小，进而抑制电子束径向振荡。

2.按照权利要求1所述减小漂移管中电子拉莫尔回旋半径的方法，其特征在于：在z₁处，电子离开平行梯度磁场区域的出射相位满足：

3.按照权利要求1或2所述减小漂移管中电子拉莫尔回旋半径的方法，其特征在于：所施加平行梯度磁场的径向磁感应强度分量B_r和轴向磁感应强度分量B_z满足

且B_r/B_z≤0.2；在电子运动的横向截面上，以横向速度v_t与径向位移r的夹角表示电子相位；在z₀处，电子注入平行梯度磁场区域的入射相位满足：

其中v_t和v_z分别为电子在磁感应强度为B₀的均匀轴向引导磁场区域运动时的横向速度和轴向速度，v为电子速度，θ₀和θ₁分别为z₀和z₁处平行梯度磁场的磁场线与轴向夹角，其取值范围为2°≤θ₀≤15°，2°≤θ₁≤15°。对于曲率渐变的磁场线而言，θ₀和θ₁可取为：

其中0<l≤L/10。